一种抗热冲击热障涂层的制备方法 【技术领域】
本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种采用电弧离子镀和爆炸喷涂技术复合制备抗热冲击热障涂层的方法。
背景技术
为满足高性能发动机降低温度梯度、热诱导应力和材料服役稳定的要求，除发展新型材料，改进热端部件设计及采用气膜冷却技术外，在涡轮发动机高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBCs：thermal barrier coatings)是一种可以提高现有高温合金工作温度和发动机效率的切实可行的方法。热障涂层是以MCrAlY为粘结层，以ZrO2-(7-9)Y2O3为表面隔热层的复合涂层。粘结层作用是保护基材在高温下免受氧化和腐蚀，实现陶瓷层与基体热膨胀系数的过渡。陶瓷层作用是承受高的表面温度，抗热冲击，耐磨损。
随着发动机工作温度的提高，热疲劳的影响也变得更加严重，即使是韧性最好的MCrAlY合金也会开裂。TBCs的抗热冲击性反映了涂层在热循环条件下的抗剥落能力。因此，要求燃气轮机叶片在具有高温力学性能的同时，还要有优异的抗热冲击和高温氧化性能。通常涂层间的热膨胀系数的匹配、涂层的结合强度、陶瓷层的气孔率、热生长氧化物地长大、分界面的粗糙度等因素在很大程度上影响TBCs的热冲击性能。
热障涂层主要的制备方法有等离子喷涂和电子束气相沉积(EB-PVD)两种，但每种方法都有其不足之处。虽然等离子喷涂成本低，涂层成分易控制，但涂层内不可避免地存在孔隙、空洞和夹杂，且涂层结合性差；加之喷涂过程中基材温度高，涂层产生大的残余压应力导致过早剥落。EB-PVD法可得到冶金结合和结构无孔的涂层，但由于在真空条件下操作，工艺复杂，成本高，不容易沉积厚度高的涂层。
中国专利(申请号为：01133423.1；02133193.6)公开了一种爆炸喷涂(D-gun)制备热障涂层的方法，易操作，成本低，所制备的陶瓷层气孔率高、隔热性好、应变容限大、抗热冲击性优。其中，中国专利(申请号为：01133423.1)公开了一种爆炸喷涂(D-gun)制备热障涂层的方法，涂层包括粘结层(采用MCrAlY合金体系)和陶瓷层(采用ZrO2-8Y2O3)两部分；虽然爆炸喷涂可制备出相对致密的MCrAlY粘结层，但粘结层中的夹杂、孔洞等缺陷降低了涂层的使用性能。中国专利(申请号：03111363.X)公开的电弧离子镀(AIP)方法具有高离化率、高能量密度、高生产效率、低能耗的优点，与D-gun相比，AIP在制作高致密，高结合强度及低内应力水平，抗高温氧化优的MCrAlY层上，显示优势。
至今，采用电弧离子镀和爆炸喷涂技术复合制备热障涂层的方法未见报道。
【发明内容】
为了改善热障涂层的抗热冲击性能，提高热障涂层的使用寿命，本发明的目的在于提供一种成本低，易操作，涂层性能特别是抗热冲击性能更优的新型抗热冲击涂层的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
粘结层采用MCrAlY合金体系，其中M＝Ni，Co或Ni+Co，作为面层的陶瓷层成分为ZrO2-8Y2O3；首先对试样进行清洗和喷砂处理；采用电弧离子镀在基体上沉积粘结层MCrAlY，然后采用爆炸喷涂在粘结层上喷涂陶瓷层，获得热障涂层。
其中，粘结层制备工作参数为：将真空室的真空度抽至2×10-3～7×10-3Pa后，通入Ar气，使压强升至5×10-2～8×10-2Pa，加-800～-1000V的高偏压，对试样利表面溅射清洗2～5分钟；沉积粘结层，弧电流50～70A，弧电压20～25V，脉冲偏压-150～-900V，直流偏压-150～-200V，占空比10～30％，沉积温度300～400℃；陶瓷层制备工艺参数为：氧和乙炔的气体流量比例范围为1.00～1.10；工作频率为4～6次/秒，喷涂距离为80～120毫米，炮口直径为20～25毫米，送粉率为0.3～0.9克/秒，喷涂盘搭接率30～50％；所述合金体系成分，按质量百分比计，Co为20-32％，Cr为18-35％，Al为5-12％，Y为0.1-1％，Ni为余量；其具体可为Ni-20Co-20Cr-8Al-0.5Y、Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y、Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y-1Si-0.03B；粘结层厚度为30-50μm，陶瓷层厚度为200-500μm；陶瓷层采用普通ZrO2-8Y2O3和/或空心球形ZrO2-8Y2O3粉制备；在所述粘结层和陶瓷层中间可加入过渡层，过渡层可为Al2O3；过渡层厚度为5-15μm。
本发明具有以下优点：
1.抗热冲击性能更优。本发明制备的粘结层均匀致密，陶瓷层内存在垂直界面的微裂纹，利于提高热障涂层的抗热冲击性。
2.抗氧化性优。本发明制备的热障涂层在900-1100℃达到完全抗氧化级(参见：中国专利，申请号为：03111363.X)。
3.采用空心球形ZrO2-8Y2O3粉制备的陶瓷层气孔率高，隔热性好。
4.电弧离子镀(AIP)方法具有高离化率、高能量密度、高生产效率、低能耗的优点，与爆炸喷涂相比，制备的MCrAlY层致密，与陶瓷层结合强度好及内应力低，抗高温氧化性优。
5.本发明制备的热障涂层，与等离子喷涂法制备的相比，具有易操作、工艺简单的优点。
6.制备成本低。与现有技术中采用的EB-PVD技术相比，价格低廉。
【具体实施方式】
下面通过实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例为双层结构的热障涂层：抗氧化粘结层和作为面层的绝缘陶瓷层，粘结层采用Ni-20Co-20Cr-8Al-0.5Y，陶瓷层采用普通ZrO2-8Y2O3粉制备，控制基材温度小于150℃。基材采用高温合金M11，试样尺寸为15×10×2mm3。基体经金相砂纸研磨，清洗和喷砂处理(200目玻璃丸，湿喷)。所用设备为国产MIP-8-800型离子镀膜机，试样装炉后，将真空室的真空度升至7×10-3Pa，通入Ar气，使气压升至5×10-2Pa，加-900V的高偏压，对试样表面进行溅射清洗约4分钟，沉积粘结层Ni-20Co-20Cr-8Al-0.5Y，采用爆炸喷涂方法制备普通ZrO2-8Y2O3陶瓷层，其工艺参数见表1、2，热障涂层的成分和厚度参数见表3。
表1实施例1电弧离子镀工艺参数真空度 (Pa)弧流(A)弧压(V)脉冲偏压(V)直流偏压(V)占空比(％)沉积温度(℃) 7×10-3 50 25 -150 -200 30 300-350
表2实施例1爆炸喷涂工艺参数工艺参数工作频率(shot/s)O2∶C2H2喷涂距离(mm)炮口直径(mm)送粉率(g/s) 搭接率 (％)ZrO2-8Y2O3 4 1.02∶1 120 25 0.5 50
表3实施例1双层结构的热障涂层 成分 厚度(μm) Ni-20Co-20Cr-8Al-0.5Y 30 普通ZrO2-8Y2O3 300
在1100℃保温10min，水冷至室温的热冲击循环实验中，抗热冲击次数达35次，优于爆炸喷涂制备的相同成分的热障涂层的抗热冲击性。
实施例2
本实施例为双层结构的热障涂层：抗氧化粘结层和作为面层的绝缘陶瓷层，粘结层采用Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y，陶瓷层成分为空心球形ZrO2-8Y2O3，控制基材温度小于150℃。基材采用高温合金M11，试样尺寸为15×10×2mm3。将真空室的真空度升至2×10-3Pa，通入Ar气，使气压升至6×10-2Pa，加-1000V的高偏压，对试样表面进行溅射清洗约2分钟，采用电弧离子镀沉积粘结层Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y。采用爆炸喷涂方法制备空心ZrO2-8Y2O3陶瓷层，其工艺参数分别见表4、5，热障涂层的成分和厚度参数见表6。
表4实施例2电弧离子镀工艺参数 真空度 (Pa) 弧流 (A)弧压(V)脉冲偏压(V)直流偏压(V)占空比(％)沉积温度(℃) 2×10-3 70 20-200-150 30 350-400
表5实施例2爆炸喷涂工艺参数工艺参数工作频率(shot/s)O2∶C2H2喷涂距离(mm)炮口直径(mm)送粉率(g/s)搭接率 (％)ZrO2-8Y2O3 61.05∶1 100 25 0.8 50
表6实施例2双层结构热障涂层 成分 厚度(μm) Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y 50 空心球形ZrO2-8Y2O3 250
在1100℃保温10min，水冷至室温的热冲击循环实验中，抗热冲击次数达90-110次，优于爆炸喷涂制备的相同成分的热障涂层的抗热冲击性，具有优异的抗热冲击性能。
实施例3
基本成分和尺寸同实施例1。本实施例为三层结构热障涂层：抗氧化粘结层、扩散阻挡层和绝缘面层陶瓷层。粘结层采用Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5YlSi-0.03B，扩散阻挡层为Al2O3，陶瓷层采用普通ZrO2-8Y2O3粉制备，控制基材温度小于150℃。采用电弧离子镀技术，将试样装炉后，真空室的真空度升至4×10-3Pa，通入Ar气，使气压升至8×10-2Pa，加-800V的高偏压，对试样表面进行溅射清洗约5分钟，沉积粘结层Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y-1Si-0.03B，扩散阻挡层Al2O3，采用爆炸喷涂方法制备普通ZrO2-8Y2O3陶瓷层，其工艺参数分别见表7、8，热障涂层的成分和厚度参数见表9。
表7实施例3电弧离子镀工艺参数真空度 (Pa) 弧流 (A) 弧压 (V) 脉冲偏 压(V) 直流偏 压(V) 占空比 (％) 沉积温 度(℃) 4×10-3 60 25 -900 -150 10 300-350
表8实施例3爆炸喷涂工艺参数工艺参数工作频率(shot/s)O2∶C2H2喷涂距离(mm)炮口直径(mm)送粉率(g/s)搭接率 (％)ZrO2-8Y2O3 4 1.10∶1 120 25 0.5 50
表9实施例3三层结构的热障涂层 成分 厚度(μm)Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y-1Si-0.03B 40 Al2O3 5-15 普通ZrO2-8Y2O3 200
在1100℃保温10min，水冷至室温的热冲击循环实验中，抗热冲击次数达70次，具有良好的抗热冲击性。
实施例4
基材为不锈钢，试样尺寸为10×10×2mm3。制备涂层前，对基材进行研磨、清洗和喷砂处理；控制基材温度小于150℃。采用国产MIP-8-800型多弧离子镀设备沉积涂层，将真空度抽至2×10-3Pa，通入Ar气，使气压升至8×10-2Pa，加-800V的偏压对试样进行溅射清洗约3分钟，然后沉积Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y粘结层(工艺参数见表4)，采用爆炸喷涂在粘结层上制备空心ZrO2-8Y2O3陶瓷层，(工艺参数见表5)，得到双层结构的热障涂层，其成分和厚度参数见表10。
表10实施例4双层结构热障涂层
成分 厚度(μm) Ni-32Co-20Cr-8Al-0.5Y 50 空心球形ZrO2-8Y2O3 500
在1100℃保温10min，水冷至室温的热冲击循环实验中，抗热冲击次数达40-45次。