利用激光冲击调控热障涂层粘结层表面微织构的处理方法与流程

本发明涉及航空发动机叶片热障涂层制备工艺。具体指利用激光冲击调控热障涂层粘结层表面微织构的处理方法，采用激光冲击构造热障涂层粘结层表面十字交叉的阵列凹坑微织构。

背景技术：

随着航空航天的快速发展，航空发动机推重比日益提高，涡轮发动机的服役温度也大幅度提高，其涡轮叶片所承受的燃气温度、环境压力也不断地提高。在过去的20多年中，虽然已经发展了几代高温合金，使得航空涡轮发动机前进气温度得以提高，但受到高温合金的熔点、表面腐蚀和应力断裂等限制，航空涡轮发动机前进气温度的提高愈来愈难，而这将阻碍高效高推重比航空发动机的发展。为此美国国家航天局(nasa)早在1952年提出tbcs这一概念，并在20世纪70年代最早将tbcs用于航空发动机燃烧室和其他热端部件的保护，降低热端部件表面温度，提高发动机效率。

热障涂层在工业应用过程中容易发生陶瓷涂层与粘结层的剥落、陶瓷层表面产生龟裂纹等过早失效的问题，很大程度上影响了它的应用。有研究表明，热障涂层材料的破坏机制受其自身结构和服役环境的影响，一般认为是由高温氧化、cmas、应力、tgo等引起的，提高热障涂层服役寿命刻不容缓。

表面微织构工艺目前被证明是可以有效改善材料承载能力，从而提高材料使用寿命的一种手段。目前表面微织构的加工技术主要包括机械微刻加工技术、激光加工技术、电火花加工技术和电解加工技术等。

中国专利cn201210118555.7公开了一种激光光刻辅助电化学沉积制备微织构方法，在金属材料表面得到带有规则微观织构的表面复合镀层，提高了相邻材料的接触面积。但是此方法只适应于金属或半导体材料表面织构的制备，沉积过程常常出现其他电化学反应，进而影响沉积织构单元质量，大量电解液的使用也会带来严重的环境污染问题；李学木采用激光多道搭接熔覆在热障涂层上制备出良好的局部网状微织构，使粘结层与陶瓷层的结合力更强，但激光熔覆产生的温度场会引发后续的拉伸热应力，影响试件的寿命；陈艳华采用喷丸技术在粘结层表面制备的周向沟槽微织构虽能增大试样之间的结合力，但其只能引入的压应力层太小，成形困难，不能能满足高性能零件的生产加工需求；中国专利cn2017110341311公开了一种激光冲击调控热障涂层过渡层界面结构的表面处理方法，其在粘结层表层构造的凹坑形貌虽能提高相邻涂层的界面接触面积，但其加工出的微织构为单一的无搭接的平行排列/错位排列形貌，对冲击压力层深度及光斑间距的调控困难且冲击效果甚微；中国专利cn201810165047.1公开了一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，在粘结层与陶瓷层界面形成榫型交错结构从而提高涂层的寿命，但其利用皮秒激光接连在陶瓷层-粘结层-陶瓷层构造等腰梯形结构这一手段较为复杂，成型困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是通过构造十字交叉的凹坑微织构提高热障涂层粘结层与陶瓷层的接触面积从而提高相邻涂层的机械结合力，调节热障涂层界面的热应力，提高热障涂层的使用寿命。

利用激光冲击调控热障涂层粘结层表面微织构的处理方法，包括以下步骤：

s1，选取高温合金基体材料，对高温合金基体表面进行净化处理：先用金相砂纸对基体表面进行手工打磨，以达到去除表面上的各种氧化物、杂质以及锈斑等粘附物的目的，随后分别在丙酮和酒精溶剂中进行超声波清洗5min，从而清除掉表面的油脂，基体经干燥之后，采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将石英砂高速喷射到基体表面。

s2，采用大气等离子在高温合金基体上喷涂粘结层，喷涂参数依次为：功率30kw；距离1000mm；主气60l/mm；载气45l/mm；送粉率2min；喷枪移动速度200mm/min；粘结层的厚度80-200μm；粘结层为conicraly，其成分为38.5wt.％co、32wt.％ni、21wt.％cr、8wt.％al、0.5wt.％y。

s3，对步骤s2中的粘结层采用激光冲击工艺进行处理，冲击工艺参数依次为：选用nd：yag纳秒激光束，脉冲波长1064nm；脉宽15ns；光斑直径4mm；脉冲能量10-40j；光斑间距4-12mm，通过控制光斑间距、激光脉冲能量大小从而形成压力层深度不同及光斑间距不同的十字交叉的阵列凹坑表面微织构，冲击的压力层深度为15-24μm。

s4，采用电子束物理气相沉积在粘结层表面沉积陶瓷层并进行热震试验，电子束物理气相沉积参数依次为：加速电压：-10kv；加热电流：100-200ma；旋转速度：5-12r·min^-1；真空室压力：≤0.02pa；基体预热温度：975±50℃；沉积的陶瓷层厚度为200-300μm；热震试验选定温度为1000℃，以氧化面积剥落到5％即判定为失效。

本发明的优点在于：

1.利用激光冲击手段处理粘结层，调控光斑间距(4-12mm)、激光能量大小(10-40j)构造十字交叉的阵列凹坑形貌，形成不同的表面微织构从而调控粘结层表面的微观形貌及相组织构成，增大粘结层与陶瓷层的接触面积从而提高其界面机械结合力；

2.激光冲击诱发的残余应力场，可以有效抵消涂层在高温服役下产生的拉伸应力，从而减缓应力集中致涂层开裂的现象；

3.制备方法工艺流程少，设备简单，易于控制。

附图说明

图1为实施示例中激光冲击强化光斑路径图。

图2为实施例1中激光冲击强化后粘结层剖面示意图。

图3为实施例2中激光冲击强化后粘结层剖面示意图。

图4为实施例3中激光冲击强化后粘结层剖面示意图。

其中，1为粘结层，2为冲击区，d1为冲击压力层，d2为光斑间距。

具体实施方式

现将本发明的实施例叙述于后，但本发明不应仅限与实施例。

实施例1

首先利用线切割的方法将高温合金gh4169基体切割成尺寸为10mm*10mm*3mm的试样。然后对基体进行一系列的净化处理：即先用金相砂纸对基体表面进行手工打磨，以达到去除表面上的各种氧化物、杂质以及锈斑等粘附物的目的，然后分别在丙酮和酒精溶剂中进行超声波清洗5min，从而清除掉表面的油脂。基体经干燥之后，采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将石英砂高速喷射到基体表面，随后采用等离子喷涂conicraly，喷涂参数依次为：功率30kw；距离1000mm；主气60l/mm；载气45l/mm；送粉率2min；喷枪移动速度200mm/min；粘结层的厚度80μm。

运用激光冲击手段强化粘结层，构造十字交叉的阵列凹坑状，脉冲波长：1064nm；脉宽15ns；光斑直径4mm；激光冲击光斑间距设定为6mm，激光能量设定为10j，随后电子束物理气相沉积8％y2o3-zro2陶瓷层，电子束物理气相沉积参数依次为：加速电压-10kv；加热电流100ma；旋转速度5r·min^-1；真空室压力≤0.02pa；基体预热温度975℃，沉积的陶瓷层厚度为200μm。

如此，所制备的热障涂层如图2所示，粘结层与陶瓷层的接触面积提高了44.6％，凹坑深度为18μm，在1000℃做热震试验，以氧化面积剥落到5％即判定为失效，抗热震次数平均为264次。

实施例2：

首先利用线切割的方法将高温合金gh4169基体切割成尺寸为10mm*10mm*3mm的试样。然后对基体进行一系列的净化处理：即先用金相砂纸对基体表面进行手工打磨，以达到去除表面上的各种氧化物、杂质以及锈斑等粘附物的目的，然后分别在丙酮和酒精溶剂中进行超声波清洗5min，从而清除掉表面的油脂。基体经干燥之后，采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将石英砂高速喷射到基体表面，随后采用等离子喷涂conicraly粘结层，喷涂参数依次为：功率30kw；距离1000mm；主气60l/mm；载气45l/mm；送粉率2min；喷枪移动速度200mm/min；粘结层的厚度80μm。

运用激光冲击手段强化粘结层，构造十字交叉的阵列凹坑状，脉冲波长1064nm；脉宽15ns；光斑直径4mm；激光冲击光斑间距设定为8mm，激光能量设定为15j，随后电子束物理气相沉积8％y2o3-zro2陶瓷层，电子束物理气相沉积参数依次为：加速电压-10kv；加热电流100ma；旋转速度5r·min^-1；真空室压力≤0.02pa；基体预热温度975℃，沉积的陶瓷层厚度为200μm。

如此，所制备的热障涂层如图3所示，粘结层与陶瓷层的接触面积提高了32.1％，凹坑深度为19μm，在1000℃做热震试验，以氧化面积剥落到5％即判定为失效，抗热震次数平均为250次。

实施例3：

首先利用线切割的方法将高温合金gh4169基体切割成尺寸为10mm*10mm*3mm的试样。然后对基体进行一系列的净化处理：即先用金相砂纸对基体表面进行手工打磨，以达到去除表面上的各种氧化物、杂质以及锈斑等粘附物的目的，然后分别在丙酮和酒精溶剂中进行超声波清洗5min，从而清除掉表面的油脂。基体经干燥之后，采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将石英砂高速喷射到基体表面，随后采用等离子喷涂conicraly粘结层，喷涂参数依次为：功率30kw；距离1000mm；主气60l/mm；载气45l/mm；送粉率2min；喷枪移动速度200mm/min；粘结层的厚度80μm。

运用激光冲击手段强化粘结层，构造十字交叉的阵列凹坑状，脉冲波长1064nm；脉宽15ns；光斑直径4mm；激光冲击光斑间距设定为9mm，激光能量设定为20j，随后电子束物理气相沉积8％y2o3-zro2陶瓷层，电子束物理气相沉积参数依次为：加速电压-10kv；加热电流100ma；旋转速度5r·min^-1；真空室压力≤0.02pa；基体预热温度975℃，沉积的陶瓷层厚度为200μm。

如此，所制备的热障涂层如图4所示，粘结层与陶瓷层的接触面积提高了25.8％，凹坑深度为22μm，在1000℃做热震试验，以氧化面积剥落到5％即判定为失效，抗热震次数平均为234次。