一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，该热障涂层呈现带有柱间孔隙的柱状组织从而具有高应变容限。本制备方法在腔室气压10?5000Pa下，以含有单原子和/或原子团簇的涂层材料微粒子的混合束流为沉积源，对表面温度维持或保温在涂层材料熔点的0.2倍以上并放置在超过混合束流中涂层材料微粒子最小的自由程2倍以上的工件进行间歇性和/或连续性的沉积，制备得到带有柱间孔隙的高应变容限柱状组织的热障涂层。与传统热障涂层相比，本发明制备的热障涂层具备带有柱间孔隙的高应变容限柱状组织，能够有效释放因热失配而产生的应力，提高应变容限，从而提高热障涂层的使用寿命。
【专利说明】
一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于材料领域，具体涉及一种热障涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着航空航天、能源动力等行业的快速发展，在科学日渐发展的今天，这些行业对燃气轮机的要求日益严格，要求其部件能在更高的工作温度下长期服役，同时具备耐腐蚀、耐磨损等特性，更直接要求了燃气轮机涡轮叶片需要有更好的耐高温特性。目前，提高燃气轮机叶片的工作温度的方法主要有:叶片内部气流冷却技术、气膜冷却技术和热障涂层。
[0003]热障涂层具备低纵向热导率、耐高温性能好的特性，可以延缓和阻隔燃气热流量向高温合金基体传导，对燃气轮机叶片进行高温隔热，从而降低叶片的工作温度。目前，低热导率的热障涂层的运用可以提高燃气温度，即降低高温合金叶片表面温度，进而提高燃气轮机的热效率，并延长燃气轮机叶片的使用寿命。
[0004]目前，热障涂层的主要制备工艺有以下两种:大气等离子喷涂和电子束物理气相沉积。大气等离子喷涂制备的热障涂层具备大量层间孔隙，纵向热导率较低，制备成本低，但热应力和热应变能力差，使用寿命较短。而电子束物理气相沉积制备的热障涂层具备良好的带有柱间孔隙的柱状组织，热应力和热应变承受能力好，具备高应变容限，使用寿命长。研究表明，热障涂层具备柱间孔隙的高应变容限柱状组织是涂层热应变承受能力好寿命长的主要原因。
[0005]然而，电子束物理气相沉积制备的热障涂层只能试用于平坦的平面工件，无法应用于结构复杂的工件。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，能够使得热障涂层具备带柱间孔隙的高应变容限柱状组织，从而能够大幅度提高热障涂层的使用寿命O
[0007]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0008]—种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，利用含有单原子和/或原子团簇的涂层材料微粒子的混合束流，在温度为0.2倍喷涂材料熔点以上的工件表面进行间歇性和/或连续性的沉积，在工件表面获得高应变容限柱状组织的热障涂层。
[0009]进一步的，具体包括以下步骤:
[0010](I)将工件放置在沉积腔室中，工件与距混合束流起点之间的间距超过混合束流中涂层材料微粒子的最小的自由程的2倍以上；
[0011](2)将沉积腔室气压调节为10_5000Pa;
[0012](3)利用高能束流加热蒸发涂层材料粉末形成微粒子流，微粒子流中的涂层材料微粒子含有单原子和/或原子团簇，与等离子气或载气构成混合束流对工件表面进行间歇性或连续性的沉积获得高应变容限柱状组织的热障涂层。
[0013]进一步的，高能束流将涂层材料蒸发形成涂层材料微粒子流，所述的微粒子流所包含的单原子包括狭义单原子、单分子或单离子，所述的微粒子所包含的原子团簇包括狭义原子团簇、分子团簇或离子团簇。
[0014]进一步的，高能束流将粉末原料蒸发形成微粒子流，微粒子流内单原子沉积单元体积百分比为50%~99% ,原子团簇体积百分比为I %-50%。
[0015]进一步的，混合束流内的涂层材料微粒子随等离子气或载气共同具有绕流特性，在遇到形貌遮挡时，依靠该特性绕开遮挡位置进行沉积。
[0016]进一步的，间歇性沉积时，混合束流在样品上进行扫动，使得涂层材料微粒子的沉积在0-180°各个角度上都能进行，随机沉积形成表面起伏。
[0017]进一步的，所述工件为带有粘结层的高温合金基体。
[0018]进一步的，所述涂层材料为YSZ粉末、LZO粉末、CeO2粉末或SZO粉末。
[0019]—种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备，包括以下步骤:将带有粘结层的高温合金基体放置在距混合束流起点950mm处，将腔室压力控制在150Pa，对高温合金表面预先加热至960 °C，然后利用功率为127kW的高能等离子束流将氧化钇部分稳定氧化锆粉末加热蒸发形成含锆离子、氧离子、锆氧离子及其团簇的微粒子流，与等离子气体Ar气和He气一起构成混合束流对高温合金基体进行连续式沉积，沉积时间为20min获得高应变容限柱状组织的热障涂层;其中等离子气体Ar气和He气进气量分别为35NLPM和60NLPM。
[0020]相对于现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0021]本发明所提供的高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，不同于电子束物理气相沉积和等离子喷涂这两种视线性工艺，本制备方法属于宏观非视线性的沉积类型，混合束流内的涂层材料微粒子随等离子气或载气共同具有绕流特性，从而具备绕镀特性，在遇到形貌遮挡时，依靠该特性绕开遮挡位置进行沉积，在宏观上属于非视线性沉积。具有良好绕镀特性从而可在形状复杂的工件表面均匀制备高性能热障涂层。通过调整的工艺参数，来控制沉积单元的自由程，造成有效的遮挡效应，从而制备得到高应变容限柱状组织的热障涂层，对提高热障涂层寿命具有重要意义。
[0022]形成高应变容限柱状组织的热障涂层所需的遮挡效应来自于近基体表面处粗糙度尺度上的粗糙起伏，即在近基体表面粗糙度尺度上的沉积是视线性沉积。
【附图说明】
[0023]图1为实施例1制得的热障涂层的表面组织图，其中图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)分别为同一试样从低倍到高倍下的表面组织扫描电镜照片；
[0024]图2为实施例1制得的热障涂层的断面组织图，其中图2(a)为试样在低倍下的断面组织扫描电镜照片，图2(b)为试样在高倍下的断面组织扫描电镜照片；
[0025]图3为实施例1制得的热障涂层的抛光断面组织图3，其中图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为同一试样从低倍到高倍下的抛光断面组织扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0026]本发明一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备的高应变容限柱状组织的热障涂层，具备由热障涂层材料粉末形成的具有柱间孔隙的柱状组织，在热障涂层使用过程中，能有效释放因热失配而产生的应力，提高应变容限，从而提高热障涂层的使用寿命。
[0027]以下是本发明给出的高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法的具体实施例，需要说明的是，这些实施例用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
[0028]实施例1
[0029]—种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备，包括以下步骤:将带有粘结层的高温合金基体放置在距混合束流起点950mm处，将腔室压力控制在150Pa，对高温合金表面预先加热至960 °C，然后利用功率为127kW的高能等离子束流将氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)粉末(M6700，Zr02/Y203 = 87/13，粉末粒度-22+5μπι)加热蒸发形成含锆离子、氧离子、错氧离子及其团簇的微粒子流，与等离子气体Ar气和He气一起构成混合束流。其中等离子气体Ar气和He气进气量分别为35NLPM和60NLPM。束流对高温合金基体进行连续式沉积，沉积时间为2 Om i η。
[0030]实施例1制得的热障涂层的表面组织如图1所示，其中(a)(b)(c)(d)分别为同一试样从低倍到高倍下的表面组织扫描电镜照片。由图l(a)(b)(c)(d)可知，热障涂层表面含有大量深坑。制得的热障涂层的断面组织如图2所示，其中(a)为试样在低倍下的断面组织扫描电镜照片，(b)为试样在高倍下的断面组织扫描电镜照片。从图2(a)中可知，制得的热障涂层呈现带有柱间孔隙的柱状组织，具备高应变容限。图2(b)中可知，微粒子流中的涂层材料微粒子含有较大的原子团簇。制得的热障涂层的抛光断面组织如图3所示，其中(a)(b)(c)(d)分别为同一试样从低倍到高倍下的抛光断面组织扫描电镜照片。从图3(a)中可知，制得的热障涂层呈现带有柱间孔隙的柱状组织，具备高应变容限。图3(c)(d)中可知，微粒子流中的涂层材料微粒子含有较大的原子团簇。
[0031]实施例2
[0032]—种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备，包括以下步骤:将带有粘结层的高温合金基体放置在距混合束流起点350_处，将腔室压力控制在10Pa，对高温合金表面预先加热至850°C，然后利用高能激光束将锆酸镧La2Zr2O7(LZO)粉末加热蒸发形成含镧离子、锆离子、氧离子、锆氧离子及其团簇的微粒子流，与载气Ar气一起构成混合束流。最后按1000mm/s的扫描速度对高温合金基体进行扫描式的间歇性沉积。
[0033]实施例3
[0034]—种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备，包括以下步骤:将带有粘结层的不锈钢基体放置在距混合束流起点900mm处，将腔室压力控制在350Pa，对不锈钢表面预先加热至720°C，然后利用功率为60kW的等离子束流将氧化铈CeO2粉末加热蒸发形成含铺尚子、氧尚子、铺氧尚子及其团簇的微粒子流，与等尚子气体Ar气和He气一起构成混合束流。其中等离子气体Ar气和He气进气量分别为30NLPM和55NLPM。最后按500mm/s的扫描速度对不锈钢基体进行扫描式的间歇性沉积。
[0035]实施例4
[0036]—种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备，包括以下步骤:将带有渗铝层的高温合金基体放置在距混合束流起点900mm处，将腔室压力控制在5000Pa，对高温合金表面预先加热至870°C，然后利用高能激光束将锆酸钐Sm2Zr2O7(SZO)粉末加热蒸发形成含钐1?子、错1?子、氧1?子、错氧1?子及其团簇的微粒子流，与载气Ar气最后按200mm/s的扫描速度对高温合金基体进行扫描式的间歇性沉积;然后进行连续式沉积。
【主权项】
1.一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，利用含有单原子和/或原子团簇的涂层材料微粒子的混合束流，在温度为0.2倍喷涂材料熔点以上的工件表面进行间歇性和/或连续性的沉积，在工件表面获得高应变容限柱状组织的热障涂层。2.根据权利要求1所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤: (1)将工件放置在沉积腔室中，工件与距混合束流起点之间的间距超过混合束流中涂层材料微粒子的最小的自由程的2倍以上； (2)将沉积腔室气压调节为10-5000Pa; (3)利用高能束流加热蒸发涂层材料粉末形成微粒子流，微粒子流中的涂层材料微粒子含有单原子和/或原子团簇，与等离子气或载气构成混合束流对工件表面进行间歇性或连续性的沉积获得高应变容限柱状组织的热障涂层。3.根据权利要求2所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，高能束流将涂层材料蒸发形成涂层材料微粒子流，所述的微粒子流所包含的单原子包括狭义单原子、单分子或单离子，所述的微粒子所包含的原子团簇包括狭义原子团簇、分子团簇或离子团簇。4.根据权利要求2所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，高能束流将粉末原料蒸发形成微粒子流，微粒子流内单原子沉积单元体积百分比为50%-99%，原子团簇体积百分比为I %-50%。5.根据权利要求2所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，混合束流内的涂层材料微粒子随等离子气或载气共同具有绕流特性，在遇到形貌遮挡时，依靠该特性绕开遮挡位置进行沉积。6.根据权利要求2所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，间歇性沉积时，混合束流在样品上进行扫动，使得涂层材料微粒子的沉积在0-180°各个角度上都能进行，随机沉积形成表面起伏。7.根据权利要求1所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述工件为带有粘结层的高温合金基体。8.根据权利要求1所述的一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层材料为YSZ粉末、LZO粉末、CeO2粉末或SZO粉末。9.一种高应变容限柱状组织的热障涂层的制备方法所制备，其特征在于，包括以下步骤:将带有粘结层的高温合金基体放置在距混合束流起点950mm处，将腔室压力控制在150Pa，对高温合金表面预先加热至960°C，然后利用功率为127kW的高能等离子束流将氧化钇部分稳定氧化锆粉末加热蒸发形成含锆离子、氧离子、锆氧离子及其团簇的微粒子流，与等离子气体Ar气和He气一起构成混合束流对高温合金基体进行连续式沉积，沉积时间为20min获得高应变容限柱状组织的热障涂层；其中等离子气体Ar气和He气进气量分别为35NLPM和60NLPM。
【文档编号】C23C14/08GK105839057SQ201610224706
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】杨冠军, 李长久, 李成新, 章梦
【申请人】西安交通大学