CN103266295A - 一种热障涂层激光表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
一种热障涂层激光表面改性方法，首先对基体的表面进行清洗和喷砂处理；然后在基体的表面制备热喷涂态的热障涂层；然后对热障涂层中即将制备的桩钉结构激光改性单元体的形状、尺寸、排布规律和分布密度进行设计；然后按设计模型调节激光器的加工参数；然后对热障涂层进行激光改性；最后对激光改性后的热障涂层进行去应力退火处理。本发明由于采用了在热障涂层中设置不连续的、分散的桩钉结构强化单元体的方法，使热涨涂层既能产生软硬交替变化的特征，又能产生“钉扎效应”，这样既减缓了涂层的裂纹尖端应力集中，降低了涂层的裂纹率，又极大地提高了各涂层间的结合强度，延长了热障涂层的热疲劳寿命，并改善了涂层组织结构，提高了涂层的致密度。
Description
技术领域
本发明属于热障涂层制备与改性技术领域，具体是涉及一种具有桩钉结构特征的热障涂层激光表面改性方法。
背景技术
热障涂层是将耐高温、高隔热的材料涂覆在基体合金表面，以提高基体合金抗高温能力，降低其表面温度的一种热防护技术。热障涂层不仅在舰船、能源等领域有广阔的应用前景，同时更是发展下一代航空发动机必不可少的关键技术。随着航空发动机向高推重比发展，发动机的设计进口温度不断提高，单独使用高温结构材料已不能满足设计要求，采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度切实可行的方法。
实际应用的典型航空热障涂层大都是双层结构，即分为表层的陶瓷层和中间的粘结层。其中，陶瓷层材料一般为7%-8%氧化钇部分稳定的氧化锆，通过大气等离子喷涂或者电子束物理气相沉积的方法制备，陶瓷层的热导率较低，主要起隔热作用。在陶瓷层和基体之间为粘结层，目前该层的通用材料为MCrAlY，其中M代表Ni、Co或者Ni与Co的混合物，粘结层通过低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂的方法制备，其功能是改善基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配性，防止基体被高温氧化腐蚀。
虽然目前热障涂层已广泛应用于发动机的热端部件，但是其早期剥落失效问题十分严重，热障涂层的使用寿命还需进一步提高。研究表明：涂层内部的组织缺陷，热载荷作用下涂层内部产生的较大内应力，涂层界面热生长氧化物的形成和生长以及热喷涂工艺固有的涂层结合力差等问题是影响热障涂层使用寿命的主要因素。尽管有关热障涂层的材料、结构与制备工艺方面研究很多，但是热障涂层早期剥落失效问题依然存在。近年来，在提高热障涂层性能和寿命方面，采用激光与热喷涂复合技术逐渐引起国内外专家的关注，并成为研究热点。但是，目前的热障涂层激光表面改性方法还存在着一些弊端：一方面，对热障涂层整体激光重熔可以提高涂层致密度和结合强度，但是也将产生粘结层与陶瓷层互扩散和稀释等问题；另一方面，对陶瓷层进行表层激光重熔可以降低裂纹率，防止陶瓷层被粘结层稀释，但是不可避免地在陶瓷层内引入新的界面，产生较大残余应力，且这种方法对提高陶瓷层与粘结层结合强度毫无意义。因此，热障涂层的激光改性技术迫切需要在方法学和结构设计思想方面取得创新与突破。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种具有桩钉结构特征的能显著提高热障涂层性能和使用寿命的热障涂层激光表面改性方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的热障涂层激光表面改性方法，其特点是包括如下步骤：
A、按常规工艺程序对基体的表面进行清洗和喷砂处理；
B、在基体的表面制备热喷涂态的热障涂层，该热障涂层包括陶瓷层和粘结层，制作时，是首先在基体的表面制作粘结层，再在粘结层的表面制作陶瓷层；
C、通过计算机和设计软件对热障涂层中即将制备的桩钉结构激光改性单元体的形状、尺寸、排布规律和分布密度进行设计；
D、按设计模型调节激光器的加工参数；
E、对热障涂层进行激光改性，使热障涂层中形成有按步骤C设定的桩钉结构激光改性单元体；
F、对激光改性后的热障涂层进行去应力退火处理。
其中，上述桩钉结构激光改性单元体为倒置球冠形单元体，该倒置球冠形单元体的裸露表面为圆形，该倒置球冠形单元体的圆形表面直径为0.5mm～2.5mm，该倒置球冠形单元体的高度为210μm～440μm。
上述热障涂层中的桩钉结构激光改性单元体设置成等间距平行排布或等间距交错排布，相邻两个桩钉结构激光改性单元体的边缘间距为1mm～4mm，且热障涂层中所有的桩钉结构激光改性单元体的表面总面积占热障涂层表面积的10％～60％。
上述激光器采用额定功率为500W～1000W的Nd:YAG固体脉冲激光器，该激光器的电流为100A～300A，脉宽值为3ms～10ms，频率值为1~10Hz。
上述步骤E中，对热障涂层进行激光改性是采用手动的方式控制激光输入脉冲数量，制备每一个桩钉结构激光改性单元体的激光输入脉冲数量为1～6个。
上述热障涂层的去应力退火处理是在真空热处理炉中进行，加热温度为600℃～700℃，保温时间为1h～2h，并随炉冷却。
上述陶瓷层采用大气等离子喷涂的方法制成，且陶瓷层的厚度为150μm～350μm。
上述粘结层采用低压等离子喷涂或超音速火焰喷涂的方法制成，且粘结层的厚度为50μm～100μm。
本发明由于采用了在热障涂层中设置桩钉结构强化单元体的激光表面改性方法，能够在热障涂层的横向尺度上形成不连续的、分散的“木桩”型激光改性单元体，从而产生具有软硬交替变化特征的强化结构，这样既可以减小和松弛涂层激光改性应力，降低裂纹率，又可以实现抵抗涂层层间和纵向裂纹扩展，减缓裂纹尖端应力集中的目的；同时，通过该方法能够在热障涂层的纵向尺度上形成贯通陶瓷层和粘结层直至接近基体的“钉楔”状激光改性单元体，产生具有“钉扎效应”的强化结构，激光改性单元体贯通陶瓷层和粘结层，这样既可以在二者界面形成局部冶金结合，使涂层结合强度能够提高40%以上，破坏界面热生长氧化物的连续性，使热障涂层的热疲劳寿命能够提高1-4倍，又能够极大地改善涂层组织结构，在陶瓷层中形成了不同于喷涂态的柱状晶组织，使涂层表面粗糙度得到明显改善，提高了涂层致密度，有效地消除了热喷涂态残留的气孔、夹杂等缺陷。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明实施例一中热喷涂态热障涂层的横截面形貌图。
图2为本发明实施例一中热障涂层的激光表面改性外观图。
图3为本发明实施例一中热障涂层的桩钉结构激光改性单元体的表面形貌图。
图4为本发明实施例一中桩钉结构激光改性单元体的柱状晶组织示意图。
具体实施方式
实施例一：
首先，按常规工艺流程对GH4169高温合金基体进行清洗和喷砂处理；然后，在基体的表面制备热喷涂态的热障涂层，由于该热障涂层由陶瓷层和粘结层组成，制作时，是先采用超音速喷涂制备厚度约60μm的NiCoCrAlYTa粘结层，再采用大气等离子喷涂制备厚度约200μm的7%氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷层，而该热喷涂态的热障涂层的横截面形貌如图1所示；然后，通过计算机和设计软件来设计桩钉结构激光改性单元体，该桩钉结构激光改性单元体为倒置球冠形单元体，该倒置球冠形单元体的裸露表面为圆形，该倒置球冠形单元体的圆形表面直径为2mm，该倒置球冠形单元体的高度为230μm，且倒置球冠形单元体设置的排布规律为等间距平行排布，其排布规律如图2所示，而相邻两个倒置球冠形单元体的边缘间距为2mm，热障涂层中所有的桩钉结构激光改性单元体的表面总面积占热障涂层表面积的25%；然后，采用额定功率600W的Nd:YAG脉冲固体激光器对热障涂层进行激光表面改性，也就是在热障涂层中按设计模型制作出所需要的桩钉结构激光改性单元体，而激光器电流输入200A，脉宽值为6ms，频率为7Hz，并且是采用手动控制方式使加工每一个桩钉结构激光改性单元体只输入2束脉冲激光，从图3中可以清楚地看出制备在热障涂层中的单个桩钉结构激光改性单元体的表面形貌；最后，将激光改性后的热障涂层放入真空热处理炉，加热700℃，保温1h，随炉冷却后取出即可。由于在热障涂层的纵向尺度上形成了贯通陶瓷层和粘结层直至接近基体的“钉楔”状激光改性单元体，产生具有“钉扎效应”的强化结构，并在陶瓷层中形成了不同于喷涂态的柱状晶组织，该柱状晶组织如图4所示，从而使涂层表面粗糙度得到明显改善，提高了涂层致密度，有效地消除了热喷涂态残留的气孔、夹杂等缺陷。
实施例二：
首先，按常规工艺流程对GH4169高温合金基体进行清洗和喷砂处理；在基体的表面制备热喷涂态的热障涂层，由于该热障涂层由陶瓷层和粘结层组成，制作时，是先采用低压等离子喷涂制备厚度约100μm的NiCoCrAlYTa粘结层，再采用大气等离子喷涂制备厚度约300μm的7%氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷层；然后，通过计算机和设计软件来设计桩钉结构激光改性单元体，该桩钉结构激光改性单元体的设计是通过计算机和设计软件完成，该桩钉结构激光改性单元体为倒置球冠形单元体，该倒置球冠形单元体的裸露表面为圆形，该倒置球冠形单元体的圆形表面直径为1.8mm，该倒置球冠形单元体的高度为320μm，且倒置球冠形单元体设置的排布规律为等间距交错排布，而相邻两个倒置球冠形单元体的边缘间距为2mm，热障涂层中所有的桩钉结构激光改性单元体的表面总面积占热障涂层表面积的20%；然后，采用额定功率800W的Nd:YAG脉冲固体激光器对热障涂层进行激光表面改性，也就是在热障涂层中按设计模型制作出所需要的桩钉结构激光改性单元体，而激光器电流输入220A，脉宽值为7ms，频率为10Hz，并且是采用手动控制方式使加工每一个激光改性单元体只输入3束脉冲激光；最后，将激光改性后的热障涂层放入真空热处理炉，加热650℃，保温1h，随炉冷却后取出即可。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种热障涂层激光表面改性方法，其特征在于包括如下步骤：
A、按常规工艺程序对基体的表面进行清洗和喷砂处理.
B、在基体的表面制备热喷涂态的热障涂层，该热障涂层包括陶瓷层和粘结层，制作时，是首先在基体的表面制作粘结层，再在粘结层的表面制作陶瓷层.
C、通过计算机和设计软件对热障涂层中即将制备的桩钉结构激光改性单元体的形状、尺寸、排布规律和分布密度进行设计；
D、按设计模型调节激光器的加工参数.
E、对热障涂层进行激光改性，使热障涂层中形成有按步骤C设定的桩钉结构激光改性单元体.
F、对激光改性后的热障涂层进行去应力退火处理。
2.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述桩钉结构激光改性单元体为倒置球冠形单元体，该倒置球冠形单元体的裸露表面为圆形，该倒置球冠形单元体的圆形表面直径为0.5mm～2.5mm，该倒置球冠形单元体的高度为210μm～440μm。
3.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述热障涂层中的桩钉结构激光改性单元体设置成等间距平行排布或等间距交错排布，相邻两个桩钉结构激光改性单元体的边缘间距为1mm～4mm，且热障涂层中所有的桩钉结构激光改性单元体的表面总面积占热障涂层表面积的10％～60％。
4.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述激光器采用额定功率为500W～1000W的Nd:YAG固体脉冲激光器，该激光器的电流为100A～300A，脉宽值为3ms～10ms，频率值为1~10Hz。
5.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述步骤E中，对热障涂层进行激光改性是采用手动的方式控制激光输入脉冲数量，制备每一个桩钉结构激光改性单元体的激光输入脉冲数量为1～6个。
6.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述热障涂层的去应力退火处理是在真空热处理炉中进行，加热温度为600℃～700℃，保温时间为1h～2h，并随炉冷却。
7.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述陶瓷层采用大气等离子喷涂的方法制成，且陶瓷层的厚度为150μm～350μm。
8.根据权利要求1所述热障涂层激光表面改性方法，其特征在于上述粘结层采用低压等离子喷涂或超音速火焰喷涂的方法制成，且粘结层的厚度为50μm～100μm。
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