一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法与流程

本发明属于航空发动机
技术领域：
，具体涉及一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法。
背景技术：
：热障涂层是将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在零件表面，降低零件表面温度、提高零件可靠性和服役寿命的热防护技术，一般由抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结底层和导热系数较低的陶瓷面层组成。目前普遍采用的是超音速喷涂mcraly涂层或等离子喷涂mcraly涂层作为底层，等离子喷涂ysz面层的涂层体系。超音速喷涂mcraly底层致密度高，抗氧化性能良好，但其表面粗糙度低，与等离子喷涂ysz面层结合力差。等离子喷涂mcraly底层表面粗糙度高，与等离子喷涂ysz面层结合力好，但底层抗氧化性能不好，与基体的结合力也差，难以满足高性能航空发动机及燃气轮机叶片热端部件对长寿命、高可靠性热障涂层的需求。技术实现要素：本发明的目的是针对现有hvof底层/aps面层界面粗糙度低，结合强度不高；aps底层/aps面层底层致密度不高，底层与基体结合力差，难以满足热端部件对长寿命、高可靠性热障涂层的需求问题，提出一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法，即采用超音速喷涂mcraly底层/等离子喷涂mcraly过渡层/等离子喷涂ysz面层结构，在超音速喷涂mcraly底层/等离子喷涂mcraly过渡层后进行热处理以提高界面结合强度，进而提升热障涂层的使用寿命和可靠性。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，包括mcraly底层，mcraly过渡层和ysz面层，所述的mcraly底层厚度为0.03～0.1mm，所述的mcraly过渡层厚度为0.03～0.1mm，所述的ysz面层厚度为0.1～0.3mm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层中，mcraly底层表面粗糙度ra为7～9μm，mcraly过渡层表面粗糙度ra为11～12μm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层经测试，在1100℃抗冷热循环达到834～1283次。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的拉伸结合强度为38.4～40.90mpa。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1，mcraly底层喷涂：(1)取航空发动机或燃气轮机叶片，将其进行除油去污与干吹砂后，完成预处理；(2)采用超音速喷涂mcraly粉末，形成mcraly底层，厚度为0.03～0.1mm；步骤2，mcraly过渡层喷涂：在mcraly底层表面，进行等离子喷涂mcraly粉末，形成mcraly过渡层，厚度为0.03～0.1mm；步骤3，ysz面层喷涂：在mcraly过渡层表面，进行等离子喷涂ysz粉末，形成ysz面层，厚度为0.1～0.3mm，制得航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层。所述的步骤1(1)中，喷涂前干吹砂处理是为了清洁和活化零件合金表面，从而提高mcraly底层与合金基体之间的结合强度。所述的步骤1(2)中，nicraly粉末粒度范围：18～45μm。所述的步骤1(2)中，mcraly底层超音速喷涂参数为：采用的喷气燃料航空煤油压力为100～130psi，流量为6～8scfh，氧气压力为121～141psi，氧气流量为1690～1710scfh，喷涂距离为350～370mm，采用氩气进行送粉，送粉速率为60～65g/min。所述的步骤1(2)和2中，mcraly粉末中各成分及质量百分比为co：35～38％，cr：20.～24％，al：8～10％，y：0.4～0.8％，余量为ni及不可避免杂质。所述的步骤2中，nicraly粉末粒度范围：38～96μm。所述的步骤2中，等离子喷涂mcraly过渡层的喷涂参数为：粉末加热的主气为氩气，流量为110～130scfh，次气为氢气，流量为1～3scfh，喷涂距离为120～150mm，送粉速率为35～55g/min，电流为700～800a。所述的步骤2中，喷涂mcraly过渡层后，对mcraly涂层进行热处理，热处理温度为870～1060℃，升温速率为7℃/min，保温时间为3～5h；之后冷却至80℃后，进行步骤3的喷涂。所述的步骤2中，热处理操作在真空炉中进行，真空压强＜6.65×10-2pa。所述的步骤2中，具体的冷却过程为：保温后，首先随炉冷却至800℃后，充入氩气冷却至80℃以下。所述的步骤3中，ysz粉末中各成分及质量百分比为y2o3：7～8％，余量为zro2。所述的步骤3中，ysz粉末粒度范围：11～125μm。所述的步骤3中，ysz面层喷涂参数为：粉末加热的主气体为氩气，流量为70～90scfh，次气体为氢气，流量为3～5scfh，送粉速率为28～40g/min，喷涂距离为85～115mm，喷涂电流为775～825a。所述的步骤3中，航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层制备完成后，在使用过程中，由于真空热处理的原因，在mcraly过渡层表面能够形成一层完整连续的tgo组织，有效阻止了外部氧原子的进入。本发明的有益效果：(1)本发明的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法，要点在于，设计一套既能提高底层和基体的结合强度，又能提高底层和面层的结合强度的热障涂层体系。(2)通过超音速喷涂mcraly底层+等离子喷涂mcraly过渡层+热处理+等离子喷涂ysz面层形成涂层体系，超音速喷涂mcraly底层致密，抗氧化性能好、结合强度高；等离子喷涂mcraly过渡层由于表面粗糙度大，与ysz面层的结合力好；热处理不仅提高了基体k488与超音速喷涂mcraly底层，超音速喷涂mcraly底层与等离子喷涂mcraly过渡层的结合强度，还在mcraly过渡层表面形成一层连续生长的tgo组织，有利于提高mcraly过渡层与面层ysz的结合强度。(3)本发明的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层制备方法，生产成本低，显著提高了涂层的使用寿命和可靠性，已成功应用于我国航空发动机及燃气轮机热端部件的生产，本涂层体系还可以用于航空发动机及相关行业其它各种合金零部件热障涂层的生产，具有非常广阔的市场前景。附图说明图1为本发明实施例3制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的弯曲性能图；图2为本发明实施例与对比例制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的抗热循环试验温度载荷谱示意图；图3为实施例与对比例制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层在不同抗冷热循环次数下与原始试样表面状态对比示意图，其中，图3(a)为原始试样，图3(b)为实施例3制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环1200次表面状态示意图，图3(c)为对比例4制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环751次表面状态示意图；图4为本发明实施例3叶片表面喷涂航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层过程状态变化实物图。具体实施方式：下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。以下实施例中：mcraly粉末中各成分及质量百分比为co：35～38％，cr：20.～24％，al：8～10％，y：0.4～0.8％，余量为ni及不可避免杂质；超音速喷涂的nicraly粉末粒度范围：18～45μm，等离子喷涂的nicraly粉末粒度范围：38～96μm；ysz粉末中各成分及质量百分比为y2o3：7～8％，余量为zro2，粉末粒度范围：11～125μm。实施例1一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，包括：mcraly底层，厚度为0.06mm，表面粗糙度ra为7μm；mcraly过渡层，厚度为0.06mm，表面粗糙度ra为11μm；和ysz面层，厚度为0.2mm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1，mcraly底层喷涂：(1)取航空发动机或燃气轮机叶片，对航空发动机及燃气轮机叶片使用的k488基体材料进行丙酮除油污→外观检查→干吹砂，以清洁和活化零件合金表面，从而提高mcraly底层与合金基体之间的结合强度→清理→夹具保护→装夹→预热；(2)采用超音速喷涂mcraly底层，采用的是jp5000设备，采用的喷气燃料航空煤油压力为113psi，流量为7scfh，氧气压力为131psi，氧气流量为1700scfh，喷涂距离为350～370mm，采用氩气进行送粉，送粉速率为60～65g/min，喷涂厚度为0.06mm；步骤2，mcraly过渡层喷涂：在mcraly底层表面，等离子喷涂mcraly粉末，形成mcraly过渡层，采用的是7700设备，粉末加热的主气为氩气，流量为120scfh，次气为氢气，流量为2scfh，喷涂距离为135mm，送粉速率为45g/min，电流为750a，喷涂厚度为0.06mm；步骤3，ysz面层喷涂：在mcraly过渡层表面，采用等离子喷涂ysz粉末，形成ysz面层，采用的是7700设备，粉末加热的主气体为氩气，流量为80scfh，次气体为氢气，流量为4scfh，送粉速率为34g/min，喷涂距离为100mm，喷涂电流为800a，喷涂厚度为0.2mm，并进行抛光处理，制得航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，经测试，在1100℃抗冷热循环达到834次，拉伸结合强度为38.4mpa。实施例2一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，包括：mcraly底层，厚度为0.06mm，表面粗糙度ra为8μm；mcraly过渡层，厚度为0.06mm，表面粗糙度ra为11.6μm；和ysz面层，厚度为0.2mm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1，mcraly底层喷涂：(1)取航空发动机或燃气轮机叶片，对航空发动机及燃气轮机叶片使用的k488基体材料进行丙酮除油污→外观检查→干吹砂，以清洁和活化零件合金表面，从而提高mcraly底层与合金基体之间的结合强度→清理→夹具保护→装夹→预热；(2)采用超音速喷涂mcraly底层，采用的是jp5000设备，采用的喷气燃料航空煤油压力为113psi，流量为7scfh，氧气压力为131psi，氧气流量为1700scfh，喷涂距离为350～370mm，采用氩气进行送粉，送粉速率为60～65g/min，喷涂厚度为0.06mm；步骤2，mcraly过渡层喷涂与热处理：(1)在mcraly底层表面等离子喷涂mcraly粉末，形成mcraly过渡层，采用的是7700设备，粉末加热的主气为氩气，流量为120scfh，次气为氢气，流量为2scfh，喷涂距离为135mm，送粉速率为45g/min，电流为750a，喷涂厚度为0.06mm；(2)喷涂mcraly过渡层后，对mcraly涂层在真空炉中进行热处理，真空压强＜6.65×10-2pa，热处理温度为870℃，升温速率为7℃/min，保温时间为4h；之后首先随炉冷却至800℃后，充入氩气冷却至80℃以下，通过热处理后，mcraly过渡层形成一层连续的tgo组织；步骤3，ysz面层喷涂：在mcraly过渡层表面，采用等离子喷涂ysz粉末，形成ysz面层，采用的是7700设备，粉末加热的主气体为氩气，流量为80scfh，次气体为氢气，流量为4scfh，送粉速率为34g/min，喷涂距离为100mm，喷涂电流为800a，喷涂厚度为0.2mm，并进行抛光处理，制得航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，经测试，在1100℃抗冷热循环达到986次，拉伸结合强度为38.8mpa。实施例3一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，包括：mcraly底层，厚度为0.06mm，表面粗糙度ra为9μm；mcraly过渡层，厚度为0.06mm，表面粗糙度ra为12μm；和ysz面层，厚度为0.2mm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1，mcraly底层喷涂：(1)取航空发动机或燃气轮机叶片，对航空发动机及燃气轮机叶片使用的k488基体材料进行丙酮除油污→外观检查→干吹砂，以清洁和活化零件合金表面，从而提高mcraly底层与合金基体之间的结合强度→清理→夹具保护→装夹→预热；(2)采用超音速喷涂mcraly底层，具体工艺参数如表2所示，采用的是jp5000设备，采用的喷气燃料航空煤油压力为113psi，流量为7scfh，氧气压力为131psi，氧气流量为1700scfh，喷涂距离为350～370mm，采用氩气进行送粉，送粉速率为60～65g/min，喷涂厚度为0.06mm；步骤2，mcraly过渡层喷涂与热处理：(1)在mcraly底层表面等离子喷涂mcraly粉末，形成mcraly过渡层，具体工艺参数如表3所示，采用的是7700设备，粉末加热的主气为氩气，流量为120scfh，次气为氢气，流量为2scfh，喷涂距离为135mm，送粉速率为45g/min，电流为750a，喷涂厚度为0.06mm；(2)喷涂mcraly过渡层后，对mcraly涂层在真空炉中进行热处理，真空压强＜6.65×10-2pa，热处理温度为1050℃，升温速率为7℃/min，保温时间为4h；之后首先随炉冷却至800℃后，充入氩气冷却至80℃以下，通过热处理后，mcraly过渡层形成一层连续的tgo组织。步骤3，ysz面层喷涂：在mcraly过渡层表面，采用等离子喷涂ysz粉末，形成ysz面层，具体工艺参数如表4所示，采用的是7700设备，粉末加热的主气体为氩气，流量为80scfh，次气体为氢气，流量为4scfh，送粉速率为34g/min，喷涂距离为100mm，喷涂电流为800a，喷涂厚度为0.2mm，并进行抛光处理，制得航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，叶片表面喷涂航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层过程状态变化实物图如图4所示，由左向右依次为叶片原始图、超音速喷涂mcraly底层+等离子喷涂mcraly过渡层+热处理后的叶片实物图，以及ysz面层喷涂后的叶片实物图；经测试，制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环达到1283次，拉伸结合强度为40.9mpa。该实验进行三次，获得其弯曲性能图，如图1所示，从图1可以看出，制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层具有良好的结合强度和弯曲性能。经试验发现，实施例1～3制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层主要是ysz面层内部断裂，因此本发明的热障涂层解决了现有技术中基体和底层、底层和面层之间的结合强度低的难题，且实施例2和3中，增加热处理后，在nicraly过渡层表面形成了一层连续生长的tgo，明显提高了热障涂层1100℃抗冷热循环性能，由原来的800次左右提高到1200次以上。对比例1作为对比，k488基体材料处理后，超音速喷涂mcraly底层，对相同步骤采用对应实施例相同参数，形成mcraly涂层，经测得，拉伸结合强度为39.7mpa。对比例2作为对比，k488基体材料处理后，等离子喷涂mcraly底层，对相同步骤采用对应实施例相同参数，形成mcraly涂层，经测得，拉伸结合强度为25.3mpa。对比例3作为对比，k488基体材料处理后，等离子喷涂mcraly底层后，等离子喷涂ysz面层，对相同步骤采用对应实施例相同参数，形成热障涂层，经测得，在1100℃抗冷热循环623次，拉伸结合强度为25.4mpa，主要是基体和底层之间断裂，这说明基体和底层之间是薄弱环节；对比例4作为对比，k488基体材料处理后，超音速喷涂mcraly底层后，等离子喷涂ysz面层，对相同步骤采用对应实施例相同参数，形成热障涂层，经测得，在1100℃抗冷热循环751次，拉伸结合强度为30.2mpa，主要是底层和面层之间断裂，这说明底层和面层之间是薄弱环节；实施例1～3和对比例3、4中，制备的热障涂层在1100℃的抗冷热循环性能测试，采用空冷法，试片冷却时间不允许超过5min，试片升温时间不允许超过2min，涂层抗热循环试验温度载荷谱示意图如图2所示；实施例3与对比例4制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层在不同抗冷热循环次数下与原始试样表面状态对比示意图如图3所示，其中，图3(a)为原始试样，图3(b)为实施例3制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环1200次表面状态示意图，图3(c)为对比例4制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环751次表面状态示意图；上述实施例1～3，和对比例1～4采用的不同工艺方法获得涂层的结合强度和1100℃抗冷热循环次数如表1所示。表1实施例与对比例制备的热障涂层的结合强度和1100℃抗冷热循环次数：表2超音速喷涂mcraly底层的工艺参数：表3等离子喷涂mcraly过渡层的工艺参数：表4等离子喷涂zro2.y2o3面层的工艺参数：设备型号7700喷枪f4mb90-xl喷嘴φ6mm送粉器型号1264wl主气类型氩气(ar)主气流量scfh80次气类型氢气(h2)次气流量scfh4送粉气氩气(ar)载气流量scfh7送粉计数rpm4送粉速率g/min34电流a800电压(参考值)v42功率(参考值)kw33喷涂距离mm100喷涂角度°60～90粉末入射角°75当前第1页12