一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热障涂层领域，尤其是涉及一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]热障涂层通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，主要用来降低基体的工作温度，免受高温氧化、腐蚀、磨损，是由具有抗高温氧化性能的粘结层和具有隔热效果的陶瓷层组合而成的涂层体系。其对于保证燃气轮机、发动机等热端部件的长时间服役意义重大，而粘结层是燃气轮机热障涂层的重要组成部分，它的性能直接影响热障涂层系统的寿命。目前粘结层的成分主要为MCrAH(M = Ni，Co)和(Ni，Pt)Al。在地面燃气轮机中，MCrAlY(M = Ni, Co)最为常用，其使用温度约为800°C左右。但此类涂层的高温力学性能和抗氧化性能已经不能完全满足需求。与其相比，现代航空发动机热障涂层主流的粘结层材料(Ni，Pt) Al具有更为优异的高温抗氧化能力和高温蠕变强度，但该粘结层有缺点:该技术使用贵金属Pt和CVD制备工艺，成本高昂；其次，高温屈服强度低，在高温应力作用下，容易在陶瓷层和粘结层界面形成起伏，从而导致裂纹并引发热障涂层失效。
[0003]研宄表明FeCrAH合金具有比传统粘结层更优异的高温抗氧化性，FeCrAlY层能迅速形成一层致密的Al2O3 (即TG0)，且TGO生长缓慢，不会形成Ni2A1204脆性相破坏氧化层的致密性与连续性，但尚未被用来制备热障涂层的粘结层。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种长寿命抗氧化热障涂层粘结层的制备方法，FeCrAlY粘结层比传统的NiCoCrAH粘结层具有更优异的高温抗氧化性，且结构致密，成分均匀，使得新型热障涂层具有更高的工作温度和超长的使用寿命O
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤:
[0007](I)将高温合金基体依次进行去油和喷砂处理；
[0008](2)通过低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在高温合金基体上制备金属粘结层；
[0009](3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、超音速等离子喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积在金属粘结层上沉积陶瓷层。
[0010]所述的金属粘结层成分为FeCrA:LY。
[0011]所述的陶瓷层为6?8wt% Y2O3稳定的ZrO 2或RE 2Zr207，其中，RE为稀土元素。
[0012]步骤(I)中的喷砂处理时，喷砂压力为0.1?0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3,颗粒粒径为16?120目。
[0013]步骤(2)采用低压等离子喷涂时，喷枪与高温合金基体间距离为100?250mm，喷枪移动速度为300?1000mm/s，送粉速率为10?70g/min，送粉气流为0.5?1.2L/min，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为200?250A，真空度小于20kPa。
[0014]步骤(2)、(3)中采用大气等离子喷涂时，高温合金基体、金属粘结层的温度控制在200?500°C，喷枪与金属粘结层间距离为100?250mm，喷枪移动速度为300?100mm/s，送粉速率为10?70g/min，送粉气流为0.5?1.2L/min，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为200?250A，Ar气流速范围为40?120L/min，H2气流速范围为15?45L/min。
[0015]步骤(2)、(3)中采用高速氧焰喷涂时，喷枪与高温合金基体、金属粘结层间距离均为200?450mm，送粉速率为10?70g/min，燃气丙烷10?100L/min，氧/燃气的体积比例2-12，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为20?150A ；
[0016]步骤(2)中采用高速压缩空气火焰喷涂时，喷枪与金属基体、金属粘结层间距离均为200?450mm，送粉速率为10?70g/min，燃气丙烷10?100L/min，压缩空气/燃气的体积比为2-12，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为20?150A。
[0017]步骤(3)中采用超音速等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为100?250mm，喷枪移动速度为300?1500mm/s，送粉速率为10?120g/min，送粉气流为0.5?3L/min，Ar气流速范围为40?200L/min，H2气流速范围为15?80L/min。
[0018]步骤(3)中采用溶液等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为50?350mm，送料速率为0.1?10L/min，电压范围为50?180V，喷涂电流范围为200?550A。
[0019]步骤(3)中采用电子束物理气相沉积时，金属粘结层的加热温度为800-1050°C，主电子枪功率15-30kw，靶材和基体的距离100-400mm，真空度1.0_10X l(T3Pa，沉积效率0.5-1.5um/min。
[0020]本发明通过大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂将制备FeCrAH粘结层将避免传统粘结层上述缺点:该工艺采用FeCrAH合金粉末，不含贵金属Pt，无需CVD工艺和热扩散的步骤，成本低；在高温长时间服役是不会在涂层界面形成脆性尖晶石类金属氧化物，而脆性尖晶石类金属氧化物是导致传统粘结层抗氧化能力降低的根本原因。
[0021]通过大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂技术在高温合金基体上沉积FeCrAH粘结层，制备出的厚度可控，成分结构均匀的新型热障涂层，将具有比传统热障涂层良好的抗氧化性、更高的工作温度及更长的使用寿命。与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0022]FeCrAH层能迅速形成一层致密的Al2O3 (即TGO)，且TGO生长缓慢，不会形成Ni2Al2O4脆性相破坏氧化层的致密性与连续性
[0023](I)本发明采用的FeCrAH粘结层形成一层致密的Al2O3 (即TG0)，且TGO生长缓慢，具有更优良的抗氧化性；
[0024](2)本发明制备的新型热障涂层在高温服役过程中，粘结层与陶瓷层间不会形成spinel脆性相，氧化层的致密且连续，具有更高的工作温度；
[0025](3)本发明制备的新型热障涂层良好的界面结合力，能有效抵抗热冲击，具有很长的使用寿命。
【附图说明】
[0026]图1为含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的结构示意图；
[0027]图2为制备的FeCrAH粘结层热障涂层截面的扫描电镜图；
[0028]图3为FeCrAH粘结层热障涂层高温热循环失效后截面的扫描电镜图；
[0029]图4为NiCoCrAH粘结层热障涂层高温热循环失效后的截面扫描电镜图。
[0030]图中，I为高温合金基体、2为金属粘结层、3为陶瓷层。
【具体实施方式】
[0031]一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤:
[0032](I)将高温合金基体依次进行去油和喷砂处理，喷砂处理时，喷砂压力为0.1?0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16?120目；
[0033](2)通过低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在高温合金基体上制备成分为FeCrA:LY的金属粘结层；
[0034](3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、超音速等离子喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积在金属粘结层上沉积陶瓷层，陶瓷层的成分为6?8wt% Y2O3稳定的ZrO2或RE 2Zr207，其中，RE为稀土元素。
[0035]步骤(2)采用低压等离子喷涂时，喷枪与高温合金基体间距离为100?250mm，喷枪移动速度为300?1000mm/s，送粉速率为10?70g/min，送粉气流为0.5?1.2L/min，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为200?250A，真空度小于20kPa。
[0036]步骤(2)、(3)中采用大气等离子喷涂时，高温合金基体、金属粘结层的温度控制在200?500°C，喷枪与金属粘结层间距离为100?250mm，喷枪移动速度为300?100mm/s，送粉速率为10?70g/min，送粉气流为0.5?1.2L/min，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为200?250A，Ar气流速范围为40?120L/min，H2气流速范围为15?45L/min。
[0037]步骤(2)、(3)中采用高速氧焰喷涂时，喷枪与高温合金基体、金属粘结层间距离均为200?450mm，送粉速率为10?70g/min，燃气丙烷10?100L/min，氧/燃气的体积比例2-12，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为20?150A ；
[0038]步骤(2)中采用高速压缩空气火焰喷涂时，喷枪与金属基体、金属粘结层间距离均为200?450mm，送粉速率为10?70g/min，燃气丙烷10?100L/min，压缩空气/燃气的体积比为2-12，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为20?150A。
[0039]步骤(3)中采用超音速等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为100?250mm，喷枪移动速度为300?1500mm/s，送粉速率为10?120g/min，送粉气流为0.5?3L/min，Ar气流速范围为40?200L/min，H2气流速范围为15?80L/min。
[0040]步骤(3)中采用溶液等离子喷涂时，喷枪与金属粘结层间距离为50?350mm，送料速率为0.1?10L/min，电压范围为50?180V，喷涂电流范围为200?550A。
[0041]步骤(3)中采用电子束物理气相沉积时，金属粘结层的加热温度为800-1050°C，主电子枪功率15-30kw，靶材和基体的距离100-400mm，真空度1.0_10X l(T3Pa，沉积效率
0.5-1.5um/min。
[0042]下面进一步结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0043]实施例1
[0044]一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤:
[0045](I)首先对高温合金基体I用颗粒粒径为16?120目的Al2O3,对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度；
[0046](2)通过大气等离子喷涂技术在高温合金基体I上引入金属粘结层2，其成分为FeCrAlY,该方法通过高温等离子束流对陶瓷颗粒进行加热熔化或者半熔化，然后快速将其喷涂至基体表面形成具有层状结构的涂层。喷涂前对基体进行预热2?4次。具体参数为:涂层的成分为FeCrAlY，基体温度范围为200?500°C，喷枪与基体距离范围为100?250mm，喷枪移动速度为300?1000mm/s，送粉速率为10?70g/min，送粉气流为0.5?
1.2L/min，电压范围为100?180V，喷涂电流范围为200?250A，Ar气流速范围为40?120L/min，H2气流速范围为15?45L/min ；
[0047](3)通过大气等离子喷涂在粘结层上沉积厚度为0.1?Imm的成分为8YSZ的陶瓷层3。具体步骤重复(2)所述，通过上述方法制备的热障涂层的结构如图1所示。
[0048]现有技术中，传统的的金属粘结层的成为NiCoCrAlY，利用上述方法制备的热障涂层在1050°C高温进行热循环氧化实验，传统NiC0CrAH粘结层的热障涂层热循环氧化400h后涂层便出现严重的脱落，具体如图4所示，脱落面积超过3