燃气轮机叶片热障涂层粘结层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃气轮机叶片的CoNiCrAlY热障涂层粘结层的成分设计。本发明还涉及所述燃气轮机叶片的CoNiCrAlY热障涂层粘结层制备方法。
【背景技术】
[0002]燃气轮机叶片是燃气轮机的重要热端部件，其工作温度决定着燃气轮机的热效率，因此其承受着最苛刻的工作环境。如何提高燃气轮机叶片在包括腐蚀和氧化等严酷服役环境下的热效率是燃气轮机发展的主要方向。目前普遍采用的技术是叶片表面制备热障涂层。典型的热障涂层由部分氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷面层和MCrAlY粘结层构成，而粘结层质量好坏决定着整个热障涂层高温抗氧化性能的优劣。传统技术中一般采用低压等离子喷涂(LPPS)或者超音速火焰喷涂(HVOF)，其成分和先进的制备工艺被国外所掌握。
[0003]现有的热喷涂制备热障涂层粘结层孔隙率高、涂层致密性不够。
[0004]冷喷涂技术(Gas Dynamic Spray，⑶S)是近年来发展起来的一种涂层制备技术；冷喷涂的理论基础是:压缩气体(空气、N2, He)加热到一定温度(小于600°C )，并通过压缩气体加速金属粒子到临界速度(超音速)，金属粒子撞击到基体表面后发生剧烈塑性变形。金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被融化；获得的涂层致密性好，孔隙率低，厚度易于控制。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种燃气轮机叶片的CoNiCrAlY热障涂层粘结层。
[0006]本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供上述燃气轮机叶片的CoNiCrAlY热障涂层粘结层的制备方法。
[0007]采用本发明方法制备的燃气轮机叶片的CoNiCrAlY热障涂层粘结层，通过合适的热处理制度，改善了粘结层与基体的结合，并在粘结层表面制备氧化膜，进一步提高了其高温抗氧化性，降低热障涂层粘结层孔隙率，十分适合于应用于燃气涡轮叶片上。
[0008]解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0009]—种燃气轮机叶片热障涂层粘结层，其特征是:由粉末状的Co、N1、Cr、Al和Y组成。
[0010]优选方案为:Ni31 ?33%，Cr 31 ?33%，A1 7 ?9%，Y 0.5 ?0.8%，Co 余量，所述各组分百分比指的是质量百分数。
[0011]所述各组分的粉末粒径优选范围10?50 μ mo
[0012]喷涂基材特指GTDlll或者MGA1400高温合金，粘结层厚度在100?150 μπι。
[0013]解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0014]上述热障涂层粘结层制备方法，其特征是:采用冷喷涂工艺制备，包括以下步骤:
[0015](I)喷涂前基体表面除油、水洗、烘干，用40-80目刚玉行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面；
[0016](2)喷涂前组成粘结层的各粉末在200?300°C下保温4h，充分软化粉末；
[0017](3)采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层；
[0018](4)粘结层表面采用等离子工艺喷涂获得8YSZ陶瓷面层；
[0019](5)将完整热障涂层在真空热处理炉下900-1100°C保温4h，真空度低于10 3Pa。
[0020]所述步骤(3)采用的具体参数为:工作气体N2,喷涂压力2.5_3MPa，温度500-600°C，喷涂距离为10mm，喷枪移动速度为80mm/s，送粉速率在18_20g.min 1O
[0021]所述步骤(4)采用的具体参数为:喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量20psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离80mm，喷涂9道次；表面陶瓷层厚度200 μ m。
[0022]本发明获得的热障涂层与现有技术制备的涂层相比，具有以下的优点和效果:
[0023](I)冷喷涂技术工艺简单，成本低；
[0024](2)冷喷涂制备的粘结层孔隙率控制在I %以下，结构致密；
[0025](3)制备的涂层内部有压应力，可缓解涂层服役过程的热膨胀匹配；
[0026](4)热处理后粘结层与基体形成扩散层，改善了涂层结合强度；
[0027](5)热处理后粘结层表面形成一层氧化膜，涂层抗氧化性能提高。
[0028]本发明制备的粘结层克服了传统热喷涂技术带来的孔洞缺陷，又通过热处理，改善了涂层的组织和结构，使高温抗氧化性得到提高，热障涂层寿命延长，可以在大型燃气轮机叶片上推广使用。
【附图说明】
[0029]图1为本工艺制备的热障涂层热处理后完整结构示意图；
[0030]图2用于本发明的热障涂层粘结层Co32Ni32Cr8A10.5Y粉末原始SEM形貌；
[0031]图3用于本发明的热障涂层YSZ陶瓷层粉末原始SEM形貌。
[0032]图中附图标记:1-8YSZ陶瓷层，2-α -Al2O3氧化膜，3-Co32Ni32Cr8A10.5Y粘结层，4-扩散层，5-GTD111或MGA1400高温基体。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0034]本发明的燃气轮机叶片热障涂层粘结层实施例，粘结层组分由德国ALD公司真空气雾化技术制备的符合粘结层成分要求的金属粉末，成分分别为:
[0035]Ni 31 ?33%，Cr 31 ?33%，Al 7 ?9%，Y 0.5 ?0.8%，Co 余量，所述各组分百分比指的是质量百分数。
[0036]优选方案为:Ni 32%, Cr 32%, Al 8%, Y 0.5%, Co余量，所述各组分百分比指的是质量百分数，粉末材料粒径在10?50 μ m，真空气雾化技术制备。
[0037]其形貌如图2所示，球形颗粒，粒度分布均匀，大部分为球形，流动性良好，喷涂前200°C下保温4h。
[0038]表面陶瓷层成分为8YSZ，粉末原始SEM形貌如附图3所示。
[0039]制备热障涂层粘结层和表面陶瓷层的实施步骤包括以下4个步骤:
[0040](I)基体合金表面除油、水洗、烘干，40-80目刚玉砂洗处理，去除浮尘；
[0041](2)喷涂前组成粘结层的各粉末在200?300°C下保温4h，充分软化粉末；冷喷涂技术制备粘结层，厚度在100 μ m，主要喷涂参数为:工作气体N2，喷涂压力2.7MPa，温度550°C，喷涂距离为10mm，喷枪移动速度为80mm/s，送粉速率在18g.min S
[0042](3)等离子喷涂工艺制备8YSZ表面陶瓷涂层，工艺参数主要为，喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量20psi，送粉速率2.3rpm,喷涂距离80mm，喷涂9道次。
[0043](4)热障涂层完整的结构置于真空热处理炉内，在1050°C下恒温4h，真空度103Pa0
【主权项】
1.一种燃气轮机叶片热障涂层粘结层，其特征是:由粉末状的Co、N1、Cr、Al和Y组成。2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片热障涂层粘结层，其特征是:所述各组分的优选方案为Ni 31?33%，Cr 31?33%，Al 7?9%，Υ 0.5?(λ 8%，Co余量，所述各组分百分比指的是质量百分数。3.根据权利要求2所述的燃气轮机叶片热障涂层粘结层，其特征是:所述各组分的粉末粒径范围10?50 μ m。4.根据权利要求3所述的燃气轮机叶片热障涂层粘结层，其特征是:喷涂基材是GTDlll或者MGA1400高温合金，粘结层厚度100?150 μ m。5.一种如权利要求1-4任意一项所述的燃气轮机叶片热障涂层粘结层得制备方法，其特征是:采用冷喷涂工艺制备，包括以下步骤: (1)喷涂前基材表面除油、水洗、烘干，用40-80目刚玉行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面； (2)喷涂前组成粘结层的各粉末在200?300°C下保温4h，充分软化粉末； (3)采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层； (4)粘结层表面采用等离子工艺喷涂获得8YSZ陶瓷面层，； (5)将完整热障涂层在真空热处理炉下900-1100°C保温4h，真空度低于103Pa06.根据权利要求5所述的燃气轮机叶片热障涂层粘结层的制备方法，其特征是:所述步骤(3)采用的具体参数为:工作气体N2,喷涂压力2.5-3MPa，温度500_600°C，喷涂距离为10mm，喷枪移动速度为80mm/s，送粉速率在18_20g.min 1O7.根据权利要求5所述的燃气轮机叶片热障涂层粘结层得制备方法，其特征是:所述步骤(4)采用的具体参数为:喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量20psi，送粉速率2.3rpm,喷涂距离80mm，喷涂9道次；表面陶瓷层厚度200 μ m。
【专利摘要】一种燃气轮机叶片热障涂层粘结层，由粉末状的Co、Ni、Cr、Al和Y组成，粉末粒径优选范围10～50μm；制备方法：(1)喷涂前基体表面除油、水洗、烘干，用40-80目刚玉进行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面；(2)喷涂前组成粘结层的各粉末在200～300℃下保温4h，充分软化粉末；(3)采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层；(4)粘结层表面采用等离子工艺喷涂获得8YSZ陶瓷面层；(5)将完整热障涂层在真空热处理炉下900-1100℃保温4h，真空度低于10-3Pa。本发明工艺简单成本低；粘结层孔隙率控制在1％以下，结构致密；涂层内部有压应力，可缓解涂层服役过程的热膨胀匹配；改善了涂层结合强度；涂层抗氧化性能提高。
【IPC分类】C23C4/02, C22C30/00, C23C24/04
【公开号】CN105132908
【申请号】CN201510676900
【发明人】黄丰, 彭伟平, 林介东, 聂铭, 梁永纯
【申请人】广东电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年10月16日