CN111560584A - 一种航空发动机叶片高性能热障涂层及多工艺组合制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种航空发动机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法，属于航空发动机热障涂层技术领域。制备方法为：采用电弧离子镀技术制备MCrAlY粘结层+脉冲电子束界面调控技术改善粘结层表面组织结构+电子束物理气相沉积技术制备YSZ陶瓷层，控制相应参数，制得热障涂层。本发明制备的热障涂层体系具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能及热循环寿命，解决了航空发动机叶片对高结合强度、高隔热、抗氧化及长寿命TBCs的可控制备的需求，具有非常广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于表面改性技术，尤其是一种航空发动机叶片表面涂层技术，具体地说是一种航空发动机叶片高性能热障涂层及多工艺组合制备方法。
背景技术
随着航空航天技术的快速发展，涡轮发动机的燃气进口温度和燃油效率不断提高，而现有的高温合金已无法满足这一需求，目前国际上通用的最为经济、有效和可行的方法是在其表面涂覆热障涂层（TBCs），以此来保护叶片等高温部件免受高温度的侵蚀，进而延长发动机的使用寿命。TBCs 是由具有隔热作用的陶瓷面层和具有抗高温氧化性能的中间金属粘结层所组成的一种热防护系统，即陶瓷层面以Y2O3部分稳定的ZrO2（YSZ）为主，金属粘结层以MCrAlY（M=Ni、Co、Ni+Co）为主，其中，MCrAlY粘结层可以改善基体与陶瓷间物理相容性。
针对航空发动机叶片对高性能TBCs的迫切需求，目前，商用YSZ陶瓷面层多采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术，制备的涂层具有较高的应变容限及抗热冲击性能；MCrAlY粘结层多采用低压等离子喷涂（LPPS）或电弧离子镀（AIP）技术，制备的粘结层具有高致密性和低孔隙率。因此，“LPPS/AIP+（EB-PVD）”组合工艺是目前航空发动机叶片TBCs应用领域的主流制备技术。
但是该TBCs在长期高温服役条件下会发生早期剥落失效，进而严重缩短了其使用寿命，由界面氧化导致的热生长氧化物（TGO）非受控生长及快速增厚是导致TBCs剥落失效的主要因素。TGO是粘结层中的金属元素在高温环境中与扩散到内部的氧发生反应所致，与MCrAlY粘结层表面状态及微观结构密切相关。针对以上TBCs系统，其粘结层/陶瓷层界面均粗糙不平，这便会加速TGO的失稳氧化及热应力不均分布。
因此，如何改善TBCs界面状态，改善粘结层表面组织结构，控制TGO稳态生长，成为发展航空发动机叶片高性能TBCs可控制备的关键。
发明内容
本发明的目的是针对现有单一方法制备的航空发动机叶片涂层存在寿命短，易剥落等问题，发明一种航空发动机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法，它采用电弧离子镀（AIP）技术制备MCrAlY粘结层+脉冲电子束（PEB）界面调控技术改善粘结层表面组织结构+电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术制备YSZ陶瓷层，该TBCs体系具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能及热循环寿命，解决了航空发动机叶片对高结合强度、高隔热、抗氧化及长寿命TBCs的可控制备的需求。
本发明的技术方案之一是：
一种航空发动机叶片高性能热障涂层，其特征在于，所述的热障涂层包括NiCoCrAlY粘结层、NiCoCrAlY重熔层和YSZ陶瓷面层，所述的NiCoCrAlY粘结层厚度约40~70μm，所述的NiCoCrAlY重熔层厚度约5~15μm，所述的YSZ陶瓷面层厚度约200~300μm。
粘结层表面经脉冲电子束辐照处理后十分光滑且组织致密细小，YSZ陶瓷层在重熔层表面沉积后，界面柱状晶生长具有形貌遗传继承效应，高能态重熔层表面能够增加原子形成率，细化界面晶粒，有效提高了电子束物理气相沉积方法制备的陶瓷层沉积质量及界面结合强度。
陶瓷层/重熔层界面处呈现十分均匀且平直的界面特征，在1000oC、1100oC及1200oC高温下界面处均能快速形成连续、致密且单一的稳态生长的α-Al2O3保护膜。
本发明的技术方案之二是：
一种航空发动机叶片高性能热障涂层多工艺组合制备方法，其特征在于，结合电弧离子镀、脉冲电子束及电子束物理气相沉积的工艺特点及技术优势来制备高性能TBCs。首先，采用电弧离子镀技术制备优质MCrAlY粘结层；其次，利用脉冲电子束技术对MCrAlY粘结层进行重熔处理；最后，利用电子束物理气相沉积技术在重熔层表面沉积YSZ陶瓷层，完成高质量TBCs的制备。
所述的TBCs的制备包括以下步骤：
步骤S1，对航空发动机叶片用基料进行打磨、抛光及超声清洗；
步骤S2，采用电弧离子镀技术在步骤S1中预处理后的基材表面制备NiCoCrAlY粘结层；
步骤S3，对步骤S2中制备的NiCoCrAlY粘结层进行真空热处理；
步骤S4，采用脉冲电子束技术对步骤S3中热处理后的粘结层进行表面重熔处理；
步骤S5，采用电子束物理气相沉积技术在步骤S4中制备的重熔层表面沉积YSZ陶瓷层。
可选的，所述步骤S1中的NiCoCrAlY靶材中各成分质量百分比为Co：18~22%，Cr：25~30%，Al：8~12%，Y：0.5~1.0%，Ni：余量，粘结层制备厚度为40~70μm。
可选的，所述步骤S3中的真空热处理条件为：真空度≤10-3Pa，900oC保温4~6h。
可选的，所述步骤S4中的脉冲电子束辐照参数为：真空度P≤5×10-3Pa，电子束能量为25~30KeV，能量密度为4~10J/cm2，轰击次数20~50次。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的航空发动机叶片热障涂层既能提高粘结层和陶瓷层的界面结合强度，又能改善热障涂层高温服役寿命。
（2）本发明采用的三种工艺均在真空环境下完成，可以有效避免粘结层在制备过程中产生的氧化现象，避免保护性氧化膜形成元素Al因微氧化而产生的消耗，并保证了涂层的成分均匀性。
（3）本发明针对现有方法存在的问题，结合当前涂层制备工艺优势及脉冲电子束改性特征，提出利用“电弧离子镀+脉冲电子束+电子束物理气相沉积”多工艺组合制备高性能热障涂层的方法。电弧离子镀NiCoCrAlY涂层组织致密、抗氧化性能好、结合强度高；脉冲电子束辐照处理后可以进一步消除电弧离子镀涂层表面粗糙不平及大颗粒现象，优化涂层组织结构，并获得成分均匀且细化的重熔层；高能态重熔层可以诱导界面处陶瓷层仿形生长，细化界面陶瓷柱状晶，改善界面应力状态，并有效提高陶瓷层结合强度。
（4）本发明形成的热障涂层系统具有十分平缓且均匀的界面，在高温下能够诱导界面处快速形成一层连续、致密且稳态生长的单一α-Al2O3层，有利于提高涂层抗高温氧化性能及热循环寿命。该涂层体系还可以用于地面燃机等其他相关行业高温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为脉冲电子束辐照处理后重熔层截面形貌。
图2为热障涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不应仅限与实施例。
实施例1。
以航空发动机叶片用高温合金基体材料为载体制备热障涂层，工艺流程为：试样检查→打磨与抛光→超声清洗→电弧离子镀制备NiCoCrAlY粘结层→脉冲电子束辐照处理→电子束物理气相沉积技术制备YSZ陶瓷层→检验。
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理基体材料，随后进行超声清洗。
（2）采用电弧离子镀技术制备NiCoCrAlY粘结层，靶材中各成分质量百分比为Co：20%，Cr：28%，Al：10%，Y：0.8%，Ni：余量；粘结层厚度为40μm。
（3）NiCoCrAlY粘结层真空热处理，真空度≤10-3Pa，900oC保温4h。
（4）采用脉冲电子束技术对粘结层表面进行辐照处理，采用脉冲电子束工艺参数为：真空度P≤5×10-3Pa，电子束能量为27KeV，能量密度为4J/cm2，轰击次数20次。
（5）采用电子束物理气相沉积技术（常规参数）在重熔层表面制备YSZ陶瓷层，涂层厚度与200μm。
所制备的MCrAlY重熔层厚度约5μm（如图1），TBCs界面处呈现非常平直的界面形貌特征（如图2）。经测试，涂层在1000oC、1100oC及1200oC高温下界面处均能快速形成连续、致密且单一的稳态生长的α-Al2O3保护膜。1000oC及1100oC高温氧化200h后TGO始终为单一的α-Al2O3保护膜，氧化膜未见剥落；1200oC高温氧化100h后TGO中出现少量混合氧化物，氧化膜局部区域见少量剥落。
实施例2。
根据实施例1所述的步骤进行TBCs制备，其区别在于：
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理基体材料，随后进行超声清洗。
（2）采用电弧离子镀技术制备NiCoCrAlY粘结层，靶材中各成分质量百分比为Co：20%，Cr：28%，Al：10%，Y：0.8%，Ni：余量；粘结层厚度为50μm。
（3）NiCoCrAlY粘结层真空热处理，真空度≤10-3Pa，900oC保温4h。
（4）采用脉冲电子束技术对粘结层表面进行辐照处理，采用脉冲电子束工艺参数为：真空度P≤5×10-3Pa，电子束能量为30KeV，能量密度为6J/cm2，轰击次数30次。
（5）采用电子束物理气相沉积技术（常规参数）在重熔层表面制备YSZ陶瓷层，涂层厚度与200μm。
所制备的MCrAlY重熔层厚度约10μm，TBCs界面处呈现非常平直的界面形貌特征（如图2）。经测试，涂层在1000oC、1100oC及1200oC高温下界面处均能快速形成连续、致密且单一的稳态生长的α-Al2O3保护膜。1000oC及1100oC高温氧化200h后TGO始终为单一的α-Al2O3保护膜，氧化膜未见剥落；1200oC高温氧化100h后TGO依旧以α-Al2O3保护膜为主，局部区域偶见剥落发生。
实施例3。
以航空发动机叶片用高温合金基体材料为载体制备热障涂层，工艺流程为：试样检查→打磨与抛光→超声清洗→电弧离子镀制备NiCoCrAlY粘结层→脉冲电子束辐照处理→电子束物理气相沉积技术制备YSZ陶瓷层→检验。
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理基体材料，随后进行超声清洗。
（2）采用电弧离子镀技术制备NiCoCrAlY粘结层，靶材中各成分质量百分比为Co：18%，Cr：25%，Al：8%，Y：0.5%，Ni：余量；粘结层厚度为55μm。
（3）NiCoCrAlY粘结层真空热处理，真空度≤10-3Pa，900oC保温5h。
（4）采用脉冲电子束技术对粘结层表面进行辐照处理，采用脉冲电子束工艺参数为：真空度P≤5×10-3Pa，电子束能量为20KeV，能量密度为10J/cm2，轰击次数50次。
（5）采用电子束物理气相沉积技术（常规参数）在重熔层表面制备YSZ陶瓷层，涂层厚度与150μm。
所制备的MCrAlY重熔层厚度约15μm，TBCs界面处呈现非常平直的界面形貌特征（如图2）。经测试，涂层在1000oC、1100oC及1200oC高温下界面处均能快速形成连续、致密且单一的稳态生长的α-Al2O3保护膜。1000oC及1100oC高温氧化200h后TGO始终为单一的α-Al2O3保护膜，氧化膜未见剥落；1200oC高温氧化100h后TGO中出现少量混合氧化物，氧化膜局部区域出现少量剥落。
实施例4。
根据实施例3所述的步骤进行TBCs制备，其区别在于：
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理基体材料，随后进行超声清洗。
（2）采用电弧离子镀技术制备NiCoCrAlY粘结层，靶材中各成分质量百分比为Co：22%，Cr：30%，Al：12%，Y：1.0%，Ni：余量；粘结层厚度为70μm。
（3）NiCoCrAlY粘结层真空热处理，真空度≤10-3Pa，900oC保温6h。
（4）采用脉冲电子束技术对粘结层表面进行辐照处理，采用脉冲电子束工艺参数为：真空度P≤5×10-3Pa，电子束能量为25KeV，能量密度为7J/cm2，轰击次数40次。
（5）采用电子束物理气相沉积技术（常规参数）在重熔层表面制备YSZ陶瓷层，涂层厚度与300μm。
所制备的MCrAlY重熔层厚度约12μm，TBCs界面处呈现非常平直的界面形貌特征（如图2）。经测试，涂层在1000oC、1100oC及1200oC高温下界面处均能快速形成连续、致密且单一的稳态生长的α-Al2O3保护膜。1000oC及1100oC高温氧化200h后TGO始终为单一的α-Al2O3保护膜，氧化膜未见剥落；1200oC高温氧化100h后TGO依旧以α-Al2O3保护膜为主，局部区域出现剥落。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种航空发动机叶片高性能热障涂层，其特征在于，所述的高性能热障涂层包括NiCoCrAlY粘结层、NiCoCrAlY重熔层和YSZ陶瓷面层，所述的NiCoCrAlY粘结层厚度约40~70μm，所述的NiCoCrAlY重熔层厚度约5~15μm，所述的YSZ陶瓷面层厚度约200~300μm。
2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述的重熔层表面十分光滑且组织致密细小，所述的YSZ陶瓷层在重熔层表面沉积后，界面柱状晶生长具有形貌遗传继承效应，高能态重熔层表面能够增加原子形成率，细化界面晶粒，有效提高电子束物理气相沉积方法制备的陶瓷层沉积质量及界面结合强度。
3.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述的陶瓷层/重熔层界面处呈现十分均匀且平直的界面特征，在1000oC、1100oC及1200oC高温下界面处均能快速形成连续、致密且单一的稳态生长的α-Al2O3保护膜。
4.一种权利要求1所述的航空发动机叶片高性能热障涂层的多工艺组合制备方法，其特征在于，结合电弧离子镀技术、脉冲电子束技术及电子束物理气相沉积技术三者相结合的方式来制备高性能热障涂层，包括以下步骤：
步骤S1，对航空发动机叶片用基料进行打磨、抛光及超声清洗；
步骤S2，采用电弧离子镀技术在步骤S1中预处理后的基材表面制备NiCoCrAlY粘结层；
步骤S3，对步骤S2中制备的NiCoCrAlY粘结层进行真空热处理；
步骤S4，采用脉冲电子束技术对步骤S3中热处理后的粘结层进行表面重熔处理；
步骤S5，采用电子束物理气相沉积技术在步骤S4中制备的重熔层表面沉积YSZ陶瓷层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的NiCoCrAlY靶材中各成分质量百分比为Co：18~22%，Cr：25~30%，Al：8~12%，Y：0.5~1.0%，Ni：余量，粘结层制备厚度为40~70μm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中的真空热处理条件为：真空度≤10-3Pa，900oC保温4~6h。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中的脉冲电子束辐照参数为：真空度P≤5×10-3Pa，电子束能量为20~30KeV，能量密度为4~10J/cm2，轰击次数20~50次。
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