专利名称：电子束物理气相沉积粘结层成分连续变化的梯度热障涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用电子束物理气相沉积制备热障涂层材料的方法，所制备得到的热障涂层的粘结层成分呈梯度变化。
背景技术：
随着现代高科技的发展，特别是在燃气涡轮发动机的高温环境下，现有金属材料的单独使用已经不能满足设计及使用要求。热障涂层是二十世纪六十年代开发出来的一种表面热防护技术，其设计思想是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热等性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，在提高金属热端部件抗高温腐蚀能力的同时，使其能承受更高的使用温度，并具有提高发动机的工作温度、延长热端部件使用寿命的效果。
目前采用的热障涂层结构基本上为由陶瓷隔热层与粘结层所构成的双层结构。其制备方法主要有电子束物理气相沉积与等离子喷涂。
粘结层是为了缓解陶瓷涂层和基体的热不匹配、同时也为了提高基体的抗氧化性而在基体和陶瓷涂层之间添加的金属合金涂层(镍、钴、铬、铝、钇(Ni，Co，Cr，Al，Y))。由于粘结层成分对氧化速率、氧化膜成分及完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用，而这些因素直接影响热障涂层的寿命；同时，粘结层也对阻止垂直裂纹扩展、提高基体的热疲劳寿命具有重要的作用。因此，粘结层成分的设计及其在涂覆过程中的成分控制对于热障涂层的寿命至关重要。
目前国际上通用的镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)粘结层的成分中，为了兼顾粘结层的塑性与抗高温氧化性能，往往控制铝(Al)的含量在8wt％左右。这种涂层成分设计在数千小时以下使用条件下是合理的，但是，在更长服役条件下，由于氧化造成粘结层中铝(Al)含量的消耗，将产生贫铝(Al)层，导致涂层的使用寿命下降。
发明内容
本发明的目的之一是公开一种热障涂层材料，其粘结层与陶瓷层接合处的铝含量呈梯度上升，以提高粘结层的抗高温氧化能力，而不降低其塑性。
本发明的目的之一是公开一种用电子束物理气相沉积制备热障涂层材料的方法。
本发明公开了一种热障涂层材料，它是在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料，所述的粘结层材料为镍、钴、铬、铝、钇，其组份(重量百分比)40～60％的镍，18～22％的钴、19～25％的铬、6～8％的铝、0.07～1.5％的钇；所述的陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。
本发明公开了一种用电子束物理气相沉积制备热障涂层材料的方法，包含下列步骤，(1)准备粘结层料棒、陶瓷层料棒，备用；(2)准备基板材料，备用；(3)将粘结层料棒、陶瓷层料棒各取一根分别放置在坩埚中；(4)将基板安装在旋转基板架上；(5)将全真空室抽至所需真空度～10-4Pa；(6)设定旋转基板架所需旋转的速度10～20rpm，并用电子束加热基板600～900℃，电子束电压17～19kV；(7)预蒸发粘结层料棒，并调节电子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸发量；(8)拉开挡板，进行蒸发沉积粘结层蒸发沉积粘结层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；根据涂层厚度对粘结层厚度的要求当蒸发到粘结层总厚度的2/3时调节电子束电流由原来的1.8A逐渐变化至0.8A，变化速率0.2～0.3A/min，开始沉积粘结层的过渡层；(9)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理温度1000～1100℃，时间2～6hrs；(10)蒸发沉积陶瓷层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；进行真空热处理温度1000～1100℃，时间2～6hrs；(11)关闭设备，取出热障涂层材料，制备结束。
本发明的优点(1)、高速蒸发沉积；(2)、粘结层中的镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)、钇(Y)成分可控；(3)、粘结层中铝(Al)含量梯度变化、可控；(4)、粘结层具有良好的塑性与抗长时间高温氧化腐蚀能力；(5)、热障涂层服役寿命大幅度提高。
图1是本发明制备得到的热障涂层材料的结构剖视图。
图2是本发明设备示意图。
图3是本发明热障涂层厚度方向上Al、O和Zr成分分布图。
图4是热障涂层截面的SEM照片。
图中1.真空室 2.料棒蒸发源坩埚3.料棒蒸发源坩埚4.粘结层料棒 5.陶瓷层料棒 6.挡板7.旋转基板架8.电子枪 9.电子枪 10.基板具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明本发明是一种热障涂层材料，它是在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料，其特征在于所述的粘结层材料为镍、钴、铬、铝、钇，其组份(重量百分比)40～60％的镍，18～22％的钴、19～25％的铬、6～8％的铝、0.07～1.5％的钇；所述的陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。
本发明的用电子束物理气相沉积制备热障涂层材料的方法，包含下列步骤，(1)准备粘结层料棒、陶瓷层料棒，备用；(2)准备基板材料，备用；(3)将粘结层料棒、陶瓷层料棒各取一根分别放置在坩埚中；(4)将基板安装在旋转基板架上；(5)将全真空室抽至所需真空度～10-4Pa；(6)设定旋转基板架所需旋转的速度10～20rpm，并用电子束加热基板600～900℃，电子束电压17～19kV；(7)预蒸发粘结层料棒，并调节电子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸发量；(8)拉开挡板，进行蒸发沉积粘结层蒸发沉积粘结层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；根据涂层厚度对粘结层厚度的要求当蒸发到粘结层总厚度的2/3时调节电子束电流由原来的1.8A逐渐变化至0.8A，变化速率0.2～0.3A/min，开始沉积粘结层的过渡层；(9)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理温度1000～1100℃，时间2～6hrs；(10)蒸发沉积陶瓷层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；进行真空热处理温度1000～1100℃，时间2～6hrs；(11)关闭设备，取出热障涂层材料，制备结束。
实施例(1)取镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒直径70mm，长200mm放入真空室1的料棒蒸发源坩埚2中；并在镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒表面添加70g铌，在蒸发沉积时使此料棒表面形成“热池”；取氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)陶瓷料棒直径70mm，长200mm放入真空室1的料棒蒸发源坩埚3中；选取基板为镍(Ni)基高温合金安装在旋转基板架7上；(2)对真空室1抽真空5×10-4Pa；(3)设定旋转基板架7的旋转速度15rpm，并用电子束加热基板650℃，电子束电压18kV；(4)预蒸发镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒，并调节电子束流1.6A、料棒上升速率0.8mm/min，控制蒸发量；(5)拉开挡板，进行蒸发沉积镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金粘结层蒸发沉积镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金均匀粘结层厚度30μm，电子束电流为1.6A，料棒上升速率1.2mm/min，沉积时间15min；调节沉积工艺参数，电子束电流由原来的1.6A逐渐变化至0.8A，变化速率0.2A/min，制备铝含量呈梯度上升的过渡层厚度10μm，料棒上升速率1.2mm/min，沉积时间5min；(6)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理温度1100℃，时间2hrs；(7)蒸发沉积氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)材料的陶瓷层，陶瓷层厚度150μm，调节电子束电流为1.5A，料棒上升速率1.4mm/min，沉积时间30min；蒸发沉积陶瓷层前需调节旋转基板架7，使安装在旋转基板架7上的基板10调节至放有陶瓷层料棒5的蒸发源坩埚1的上方。
(8)陶瓷层沉积完毕，进行真空热处理温度1100℃，时间2hrs；(9)关闭设备，取出热障涂层材料，制备结束。
经本发明的制备工艺得到的在镍(Ni)基高温合金上气相沉积的热障涂层[镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金+氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)]在1100℃、空气中氧化100小时后的氧化增重量小于0.5g/cm2，服役时间超过10000小时，有效地提高了热障涂层的服役寿命。
权利要求
1.一种热障涂层材料，它是在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料，其特征在于所述的粘结层材料为镍、钴、铬、铝、钇，其组份(重量百分比)40～60％的镍，18～22％的钴、19～25％的铬、6～8％的铝、0.07～1.5％的钇；所述的陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。
2.一种用电子束物理气相沉积制备热障涂层材料的方法，其特征在于包含下列步骤，(1)准备粘结层料棒、陶瓷层料棒，备用；(2)准备基板材料，备用；(3)将粘结层料棒、陶瓷层料棒各取一根分别放置在坩埚中；(4)将基板安装在旋转基板架上；(5)将全真空室抽至所需真空度～10-4Pa；(6)设定旋转基板架所需旋转的速度10～20rpm，并用电子束加热基板600～900℃，电子束电压17～19kV；(7)预蒸发粘结层料棒，并调节电子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸发量；(8)拉开挡板，进行蒸发沉积粘结层蒸发沉积粘结层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；根据涂层厚度对粘结层厚度的要求当蒸发到粘结层总厚度的2/3时调节电子束电流由原来的1.8A逐渐变化至0.8A，变化速率0.2～0.3A/min，开始沉积粘结层的过渡层；(9)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理温度1000～1100℃，时间2～6hrs；(10)蒸发沉积陶瓷层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；进行真空热处理温度1000～1100℃，时间2～6hrs；(11)关闭设备，取出热障涂层材料，制备结束。
3.根据权利要求2所述的制备热障涂层材料的方法，其特征在于在粘结层料棒之上放置70～100g的铌或者钨或者钼，使料棒的表面形成“热池”，提高电子束辐照熔池的温度，使得涂层中的镍、钴、铬、铝、钇的成分与料棒中的成分一致。
4.根据权利要求2所述的制备热障涂层材料的方法，其特征在于粘结层与陶瓷层的厚度比1∶3～5，过渡层的厚度是粘结层总厚度的1/3。
5.根据权利要求2所述的制备热障涂层材料的方法，其特征在于在步骤(8)中过渡层的铝含量呈梯度上升，其上升值由原来的(重量百分比)6～8％上升至12～15％。
6.根据权利要求2所述的制备热障涂层材料的方法，其特征在于在步骤(10)中，应当先调节旋转基板架，使安装在旋转基板架上的基板调节至放有陶瓷层料棒的蒸发源坩埚的上方。
全文摘要
本发明公开了一种电子束物理气相沉积粘结层成分连续变化的梯度热障涂层材料及其制备方法，它是在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料。该方法制备得到的热障涂层由粘结层和陶瓷层组成，通过控制蒸发沉积工艺参数使与陶瓷层相邻的粘结层的过渡层的铝含量呈梯度上升，铝含量的上升提高了粘结层的抗长时间高温氧化腐蚀的能力，有效地提高了在高温环境下热障涂层服役寿命。
文档编号B05D7/14GK1563213SQ20041002970
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月24日 优先权日2004年3月24日
发明者徐惠彬, 宫声凯, 毕晓昉, 周春根, 刘福顺 申请人:北京航空航天大学