一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層及其制備方法。即利用激光直接沉積的3D打印技術在高溫合金基體上制備網狀結構粘結層，然后再用大氣等離子噴涂法制備陶瓷面層。與其他制備方法相比，利用激光直接沉積成型技術的制造過程受控于計算機和精密機床，不受葉片曲面和形狀的約束，可提高制造效率。利用計算機控制三維造型，可方便地在基體上沉積出不同形狀、尺寸的網狀結構粘結層。激光極細的光斑可實現形狀和尺寸的精確控制。利用激光直接沉積成型技術可實現粘結層與基體的冶金結合，使得結合強度超過300MPa。有網狀結構粘結層的熱障涂層結合強度超過50MPa，從而有效抑制服役中的熱障涂層內部裂紋的擴展，提高熱障涂層的服役壽命。
【專利說明】一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于航空、航天用熱障涂層制備技術，特別是一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層及其制備方法。

【背景技術】
[0002]熱障涂層由基體、金屬粘結層和陶瓷面層這三層組成。其中，基體通常為航空發動機和各類燃氣輪機熱端部件，鎳基高溫合金具有優異的高溫力學性能，是制造熱端部件的主要材料；而金屬粘結層具有抗高溫氧化的性能，陶瓷材料具有優越的耐高溫、抗腐蝕和低導熱的性能，將這兩層涂層依次制備于基體表面可提高熱端部件的工作溫度，增強熱端部件的抗高溫氧化和耐熱沖擊能力，延長熱端部件的使用壽命。
[0003]現有的熱障涂層通常采用大氣等離子噴涂技術(APS)、電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)來制備，但基體與涂層為機械結合，結合強度較低。另外，由于陶瓷面層與鎳基合金固有的熱物性的巨大差異，在制備和服役過程中容易因熱應力作用導致開裂和剝落，失去對基體的保護功能。對此，一些研究提出在基體上制備網狀結構粘結層，將陶瓷粉末熔融并噴入粘結層網內，最終形成的陶瓷面層被網狀粘結層分隔開，從而陶瓷面層的應變容限得到提高，而熱應力的作用降低。與傳統結構的熱障涂層相比，具有網狀結構粘結層的熱障涂層的制備方法有多種。
[0004]專利 I (GaryB.Merrill, JayA.Morrison.High temperature eros1n resistant,abradable thermal barr ier composite coating.US Patent, 6235370, 2001)公開了一種將預制的金屬蜂窩結構焊接在基體上形成網狀結構粘結層，然后再將陶瓷粉末噴涂至粘結層的方法。
[0005]專利 2 (Subramanian, R.Honeycomb structure thermal barrier coating, UnitedStates Patent, US006846574B2, 2005)公開了一種采用光刻和電沉積聯合制備方法，即在基體上先旋涂光刻膠，通過光刻方法光刻膠上形成與網狀結構相反的三維結構，然后將MCrAlY和陶瓷材料依次用電沉積的方法沉積在結構內，去除光刻膠后得到網狀結構粘結層，最后向粘結層內沉積陶瓷材料得到熱障涂層。
[0006]專利3 (馬彬，李垚.一種熱障涂層及其制備方法.中國，200710144807.2，2008)公開了一種在鎳基高溫合金層外表面上先制備聚苯乙烯模板，用電沉積的方法在模板內制備鎳材料的網狀結構，然后去除聚苯乙烯模板，再向結構內噴涂上氧化釔穩定氧化鋯溶膠，煅燒后得到網狀結構粘結層，最后向粘結層內噴涂陶瓷粉末得到熱障涂層的方法。
[0007]上述網狀結構制備方法存在以下缺陷:
[0008](I)不易在具有曲面的基體材料上進行制備；
[0009](2) 一個模板只能用于制備一種結構和尺寸的粘結層；
[0010](3)網狀結構粘結層的尺寸和結構難以精確控制；
[0011](4)網狀結構粘結層與基體的結合強度低。
[0012]上述缺陷造成至今為止，應用現有工藝方法難以進行高效、便捷及精確的制備，同時也無法保證結合強度。


【發明內容】

[0013]本發明的目的在于提供一種熱障涂層的制備方法，實現與基體具有高結合強度的網狀結構粘結層的快速、精確制造，進而實現高結合強度熱障涂層的制備，以抑制服役中的熱障涂層產生裂紋，并且提高熱障涂層的服役壽命。
[0014]實現本發明目的的技術解決方案如下:
[0015]一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層，所述涂層包括合金基體、金屬粘結層和陶瓷面層；其制備方法如下:
[0016](I)對高溫合金基體進行除銹、表面粗化及除油處理，然后置于無氧環境中備用；
[0017](2)對金屬粉末進行干燥處理；
[0018](3)將高溫合金基體置于激光加工平臺，將金屬粉末加入送粉器；
[0019 ](4)將粘結層的網格形狀導入激光加工系統，設定激光掃描路徑；
[0020](5)根據粉末與基體的類型以及粘結層的網格尺寸調整激光3D打印參數，進行網狀結構粘結層的制備；
[0021](6)對陶瓷粉末進行干燥處理；
[0022](7)在網狀結構粘結層上進行預熱和噴砂處理；
[0023](8)采用大氣等離子噴涂法制備熱障涂層，調整等離子噴涂工藝參數，進行熱障涂層的噴涂。
[0024]其中，步驟(5)中激光3D打印參數調整為:激光功率0.1~3kW，激光光斑半徑0.1~2mm,激光掃描速度50~500mm/min,送粉率0.5~5g/min,保護氣與載氣均為Ar氣，保護氣流量為3~251/min，載氣氣流量3~101/min。
[0025]步驟(8)中等離子噴涂工藝參數調整為:電流400~900A，電壓為40~70V，主氣和載氣均為Ar氣，主氣流量40~601/min，載氣流量3~401/min，輔助氣體為He氣，氣體流量為40~601/min,噴涂距離60~100mm,噴槍移動速度30~150mm/s。
[0026]本發明采用激光直接沉積的3D打印技術在高溫合金基體上制備具有網狀結構粘結層的熱障涂層。3D打印的激光直接制造技術就是通過計算機控制，用激光將合金粉末熔化，并跟隨激光有規則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接根據零件CAD模型一步完成高性能金屬零部件的“近終成形”制造，同時實現了基體與粉末的冶金結合。這是一種與傳統“去材”制造工藝截然不同的“材料制備/零件近終成形一體化”的先進“增材”制造技術，具有低成本、短周期、數字化的顯著特點，不受零件形狀和材料成分的限制。
[0027]本發明與現有技術相比，其顯著優點在于:⑴激光直接沉積的3D打印技術制造粘結層的過程受控于計算機和精密機床，不受葉片曲面和形狀的約束，可提高制造效率；
(2)利用計算機三維造型，可方便地在基體上沉積出不同形狀、尺寸的網狀結構粘結層，整個過程易于實現自動化；(3)激光聚焦后獲得極細的光斑可以實現對網狀結構粘結層形狀、尺寸的精確控制；(4)可實現粘結層與基體的冶金結合，相對于傳統的等離子體噴涂粘結層的方法以及網狀結構粘結層的制備方法，二者的結合強度得到提高；(5)相對于無網格結構粘結層的熱障涂層，制備的有網狀結構粘結層的熱障涂層結合強度得到提高，從而可有效抑制服役中的熱障涂層裂紋的產生，提高了熱障涂層的服役壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發明激光直接沉積的3D打印技術在DZ4125高溫合金基體上制備的網狀結構粘結層宏觀形貌圖。
[0029]圖2是本發明在制備有網狀結構粘結層基體上進一步制備的陶瓷面層的宏觀形貌圖。
[0030]圖3是本發明激光直接沉積的3D打印技術制備的粘結層的結合強度測量方法示意圖。

【具體實施方式】
[0031]實施例1
[0032]采用本發明的激光直接沉積的3D打印技術，在高溫合金基體上制備具有高結合強度的網狀結構粘結層。
[0033]將DZ4125鎳基單晶合金板切割成30mmX 30mmX 1mm尺寸，利用金相試樣預磨機和600#水砂紙處理基體高溫合金基體表面，對基體進行除銹和表面粗化處理。將高溫合金基體置于超聲波清洗機中，加入適量無水乙醇或丙酮溶液，清洗5-10分鐘，對基體做除油處理。將NiCrAH粉末置于器皿中，再放入真空干燥箱中，在100°C下干燥4小時。將高溫合金基體置于CRS-QSF200激光加工平臺，將金屬粉末加入DPSF-3型單筒送粉器，采用同軸送粉的激光3D打印技術進行網狀結構粘結層的制備。設定激光掃描路徑為(a)矩形結構，邊長為8mm ； (b)矩形結構，邊長為5mm ； (c)三角形結構，邊長為1mm ； (d)三角形結構，邊長為6.5mm ； (e)六邊形結構,邊長為5_ ； (f)六邊形結構,邊長為3.5_。設定激光功率為200W，激光光斑半徑為0.5_，激光掃描速度為200mm/min，送粉率為lg/min，保護氣和載氣均為Ar氣，保護氣流量為10~151/min，載氣流量為3~61/min。
[0034]將制備好的結構利用線切割法切割成直徑為25_的圓柱，如圖1所示，網格的厚度為400μπι。依據國標GB/T8642-2002方法測量網狀結構粘結層與基體的結合強度。即將另一個直徑為25mm、材料為DZ4125高溫合金的圓柱表面進行噴砂處理，然后用特種膠水E-7將這個圓柱與實施例1所得的試樣粘結，置于100°C的加熱爐中固化4小時以上，然后再進行單向拉伸實驗。拉伸速率為0.2mm/min。當應力為51MPa時，拉伸件在膠處發生斷裂，說明本發明激光3D打印技術制備的粘結層與基體的結合強度大于51MPa。
[0035]實施例2
[0036]為了進一步測量網狀結構粘結層與基體的結合強度，采用文獻l(Pei Y T, OcelikV, De Hosson.1nterfacial adhes1n of laser clad funct1nally graded materials.Materials Science and Engineering，2003，A342:192-200.)的方法進行拉伸件的制備，如圖3所示。將DZ4125鎳基單晶合金板I切割成30mmX100mmX5mm尺寸。在板上用線切割的方法加工出深1.5_、寬2_的溝槽2。然后對試樣依次用丙酮和無水乙醇清洗。進而在槽內進行激光3D打印，令NiCrAH粉末熔覆整個溝槽，形成熔覆層3。設定激光功率為200W，激光光斑半徑為0.5mm，激光掃描速度為180mm/min，送粉率為lg/min，保護氣和載氣均為Ar氣，保護氣流量為10~151/min，載氣流量為3~61/min。依據國標GB2651-1989，用線切割的方法切割出拉伸試樣4，試樣的厚度為1.5mm。進行拉伸試驗，拉伸速率為0.5mm/min。當應力約為300MPa時，拉伸件在熔覆層內部發生斷裂，說明本發明激光3D打印技術制備的粘結層與基體的結合強度大于300MPa，達到了冶金結合的要求。
[0037]對比例I
[0038]為了與實施例2中的粘結層與基體的結合強度進行比較，表1列出了不同方法制備的粘結層與基體的結合強度。可見采用本發明的激光3D打印技術來制備網狀結構粘結層提高了粘結層與基體的結合強度。
[0039]表1不同方法制備的粘結層與基體的結合強度
[0040]

【權利要求】
1.一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層，其特征在于所述涂層包括合金基體、金屬粘結層和陶瓷面層；其制備方法如下: (1)對高溫合金基體進行除銹、表面粗化及除油處理，然后置于無氧環境中備用； (2)對金屬粉末進行干燥處理； (3)將高溫合金基體置于激光加工平臺，將金屬粉末加入送粉器； (4)將粘結層的網格形狀導入激光加工系統，設定激光掃描路徑； (5)根據粉末與基體的類型以及粘結層的網格尺寸調整激光3D打印參數，進行網狀結構粘結層的制備； (6)對陶瓷粉末進行干燥處理； (7)對于具有網狀結構粘結層的基體進行預熱，并對其表面做噴砂處理； (8)采用大氣等離子噴涂法制備熱障涂層，調整等離子噴涂工藝參數，進行熱障涂層的嗔涂O
2.根據權利要求1所述的具有網狀結構粘結層的熱障涂層，其特征在于步驟(5)中激光3D打印參數調整為:激光功率0.1~3kW，激光光斑半徑0.1~2mm，激光掃描速度50~500mm/min,送粉率0.5~5g/min,保護氣與載氣均為Ar氣,保護氣流量為3~251/min,載氣氣流量3~101/min。
3.根據權利要求1所述的具有網狀結構粘結層的熱障涂層，其特征在于步驟(8)中等離子噴涂工藝參數調整為:電流400~900A，電壓為40~70V，主氣和載氣均為Ar氣，主氣流量40~601/min，載氣流量3~401/min，輔助氣體為He氣，氣體流量為40~601/min，噴涂距離60~100mm,噴槍移動速度30~150mm/s。
4.一種具有網狀結構粘結層的熱障涂層的制備方法，其特征在于所述涂層包括合金基體、金屬粘結層和陶瓷面層；其制備方法如下: (1)對高溫合金基體進行除銹、表面粗化及除油處理，然后置于無氧環境中備用； (2)對金屬粉末進行干燥處理； (3)將高溫合金基體置于激光加工平臺，將金屬粉末加入送粉器； (4)將粘結層的網格形狀導入激光加工系統，設定激光掃描路徑； (5)根據粉末與基體的類型以及粘結層的網格尺寸調整激光3D打印參數，進行網狀結構粘結層的制備； (6)對陶瓷粉末進行干燥處理； (7)對于具有網狀結構粘結層的基體進行預熱，并對其表面做噴砂處理； (8)采用大氣等離子噴涂法制備熱障涂層，調整等離子噴涂工藝參數，進行熱障涂層的嗔涂O
5.根據權利要求4所述的具有網狀結構粘結層的熱障涂層，其特征在于步驟(5)中激光3D打印參數調整為:激光功率0.1~3kW，激光光斑半徑0.1~2mm，激光掃描速度50~500mm/min,送粉率0.5~5g/min,保護氣與載氣均為Ar氣,保護氣流量為3~251/min,載氣氣流量3~101/min。
6.根據權利要求4所述的具有網狀結構粘結層的熱障涂層，其特征在于步驟(8)中等離子噴涂工藝參數調整為:電流400~900A，電壓為40~70V，主氣和載氣均為Ar氣，主氣流量40~601/min，載氣流量3~401/min，輔助氣體為He氣，氣體流量為40~601/min，噴涂距離60~100mm，噴 槍移動速度30~150mm/s。
【文檔編號】B22F7/04GK104164643SQ201410405273
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】秦淵, 楊森, 王帥, 吳海濤, 吳泉圣, 周逸源 申請人:南京理工大學