本發明屬于激光熔覆制備熱障涂層粉末材料技術領域，涉及一種金屬陶瓷粉末制備以及激光熔覆材料制備工藝。

背景技術：

隨著航空燃氣渦輪機向高流量比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發展，燃燒室的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高，如軍用發動機渦輪前溫度已達1800℃，預計燃燒室溫度將達到2000～2200℃.這樣高的溫度已超過現有高溫合金的熔點，因此必須采用相應措施.除了改進冷卻技術外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層(TBCs)也是有效手段，它可達到170℃或更高的隔熱效果，以滿足高性能發動機降低溫度梯度、熱誘導應力和基體材料服役穩定的要求。

熱障涂層系統要求涂層不但有良好的隔熱效果，而且抗高溫氧化及熱沖擊.針對在腐蝕介質的特殊要求，還要滿足高溫耐蝕性能。熱障涂層一般是由粘結層和耐熱性好隔熱性好的陶瓷保護功能涂層組成的復合型金屬陶瓷復合涂層系統，主要用于降低零部件表面的工作溫度，避免高溫氧化、腐蝕、磨損。粘結層材料普遍采用McrAlY合金(M＝Ni，Co或Ni+Co，Cr是鉻，Al是鋁，Y是釔)，起到抗氧化腐蝕、熱膨脹系數匹配的作用。表面層陶瓷材料普遍采用氧化釔部分穩定的氧化鋯(Yttria Stabilized Zirco-nia，YSZ)，因為YSZ具有較低的熱導率和較高的熱膨脹系數。本實驗中McrAlY合金涂層中添加一定量的Ni，可以改善抗熱腐蝕能力，采用NiCrAlY涂層，具有耐熱耐磨抗腐蝕、抗蠕變、抗高溫氧化以及高的硬性和好的韌性等多方面的優越性能。由NiCrAlY與YSZ顆粒的顯微圖，發現球形NiCrAlY與類球形YSZ顆粒，采用傳統的等離子噴涂則會在顆粒與顆粒之間產生大量的孔隙和空洞。熱障涂層一般在陶瓷層和基體金屬之間采用成分、結構連續變化的梯度系統。它可以減小陶瓷層與粘結底層因線膨脹系數不同而引起的內應力，提高涂層的結合強度和抗熱震性能。這種涂層消除了層狀結構的明顯層間界面，使力學性能和線膨脹系數連續過渡，因此得到研究人員的廣泛重視。

本實驗采用的熔覆材料是NiCrAlY包覆YSZ粉末，需要在YSZ表面均勻的包覆一層NiCrAlY粉末(按不同重量比例設計包覆材料)。本實驗利用高壓水霧法制作合金粉末，區別于傳統的水霧化法，高壓水霧法制作合金包覆粉末的工藝制得的產物經沉淀、過濾能夠獲得細的包覆粉末，而且不存在粉末流失的情況。

激光熔覆技術是利用高能量密度激光束在金屬表面輻照，通過迅速熔化、擴展和迅速凝固，在基材表面形成與其冶金結合的，具有特殊的物理、化學或力學性能的材料，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能。與其他表面強化技術相比，激光熔覆技術具有冷卻速度快，組織為典型的快速凝固特征，熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低，且與基體呈冶金結合，粉末選擇沒有太多限制，特別是可以在低熔點金屬表面熔覆高熔點合金，熔覆表面區域的可精確選擇，材料消耗少等優點。因此，激光熔覆技術已引起了廣泛的關注和重視，并已得到廣泛的應用。

現有的熱障涂層的制備工藝存在一些不足，如專利200910186673.X公開了一種熱障涂層梯度粘結層的制備方法，采用激光感應復合熔覆完一層涂層之后，將激光頭、感應加熱線圈和粉末噴嘴返回到上一涂層激光感應復合熔覆時的起始位置，并沿Z軸上升到上一涂層的厚度距離，這樣的制備工藝與多層結構的粘結層存在相同的弊端，對抗熱震性能改善不大，而且工藝復雜。

因此，找到一種良好的熱障涂層粘結層制備工藝是十分重要的。本發明介紹一種 NiCrAlY合金包覆YSZ粉末材料及涂層制備方法。

技術實現要素：

本發明針對上述不足，通過激光熔覆NiCrAlY合金包覆YSZ粉末材料制備熱障涂層的粘接層，優化工藝，進一步提高陶瓷層與金屬基體的結合度，激光熔覆涂層具有良好的硬度、耐磨性、耐腐蝕性，且大量減少了熔覆層的裂紋、氣孔等缺陷。

本發明所采用的技術方案是一種NiCrAlY包覆YSZ熱障涂層粉末材料的制備方法。NiCrAlY合金包覆YSZ粉末材料制備特征在于：先將NiCrAlY合金粉末、YSZ粉末分別進行球磨、清洗、去掉氧化皮、油污等雜質；再將NiCrAlY合金粉末在熔爐中融化，開啟高壓水泵，將熔化后過熱50℃左右的金液注入中間包；金液經過束流，通過漏嘴進入霧化器，由高壓水作用成細小的液滴，落入盛放YSZ粉末(質量分數比30％)的裝置中充分攪拌，冷卻凝固，干燥24h。整個過程置于密封環境。

涂層制備特征在于，包括以下步驟：

步驟一：選取316^#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；

步驟二：分別將質量百分比20％、30％的NiCrAlY合金包覆YSZ粉末，將包覆粉末預置在316^#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm；

步驟三：使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為12～24mm的寬光斑或光斑寬為3～8mm進而搭接，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護氣體為氬氣。

本發明的有益效果是：

1、激光熔覆用合金粉末既有較高的硬度、又有優異的耐磨性和耐腐蝕性；

2、使用的NiCrAlY包覆YSZ粉末能獲得較低的熱導率和較高的熱膨脹系數，耐熱耐磨抗腐蝕、抗蠕變、抗高溫氧化以及高的硬性和好的韌性等多方面的優越性能；

3、激光熔覆涂層與基體結合緊密，熔覆層組織均勻，硬度極高。

附圖說明

圖1是本發明YSZ粉末SEM圖；

圖2是本發明激光熔覆裝置圖；

圖3是本發明實例一的SEM金相圖；

圖4是本發明實例二的SEM金相圖；

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

實例一：

(1)選取316^#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；

(2)將質量百分比20％的NiCrAlY包覆YSZ粉末預置在316^#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為3～8mm，搭接率為20％，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護氣體為氬氣；

實例二：

(1)選取316^#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；

(2)將質量百分比30％的NiCrAlY包覆YSZ粉末預置在316^#鋼基體表面，粉末厚 度1.5mm；

(3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為4～8mm，搭接率為20％，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護氣體為氬氣；

實例三：

(1)選取316^#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；

(2)將質量百分比30％的NiCrAlY包覆YSZ粉末預置在316^#鋼基體表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半導體激光器熔覆，其中激光輸出功率為3000W。所選用的光斑寬為12～24mm，焦距370。掃描速度為8mm/s，保護氣體為氬氣；

實例一中所得的熔覆層硬度最低，熔覆層組織結構較差，實例二中所得的熔覆層組織結構較好，但其平均硬度略顯偏低。實例三中所得的熔覆層無論是組織結構還是硬度都較為出色。