一種新型複合結構塗層及其製備方法
2023-10-22 21:45:42
專利名稱：一種新型複合結構塗層及其製備方法
技術領域：
本發明涉及渦輪發動機技術領域，尤其涉及一種新型複合結構塗層及其製備方法。
背景技術：
目前，在高性能渦輪發動機(如航空、電廠、船舶)的研製中，提高發動機的進口溫度和壓力是其永恆的追求。發動機渦輪是提高發動機進口溫度和壓力的關鍵構件之一，其材料性能和力學性能必須滿足耐高溫、高壓燃氣衝蝕苛刻環境的要求。渦輪發動機設計溫度和壓力的提高，這僅僅依靠冷卻系統和研製新材料已不能滿足對發動機的迫切需求，使用塗層防護技術是這一領域研究的熱點，塗層防護可以滿足熱障和封嚴及高溫抗氧化、耐衝蝕的矛盾，保證發動機的安全可靠運行。隨著發動機進氣溫度和壓力的不斷提高，渦輪需要在更高的溫度和壓力下工作， 要求渦輪上的塗層能夠長期在高溫(如1150°C以上)環境下使用，並使基體溫度保持在使用溫度範圍內，同時具有良好的動密封性能。在現有技術方案中，常用的多孔氧化鋯陶瓷材料可以滿足塗層在高溫隔熱、封嚴的作用，但多孔結構容易受到高壓氣流的衝蝕，易使氧化氣氛穿過孔洞到達粘結層，從而造成粘結層的氧化失效。現有技術中缺乏抗高溫、抗氧化、 抗熱衝蝕性能及具有良好動密封性能的特種熱障封嚴塗層，制約了發動機渦輪的性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種新型複合結構塗層及其製備方法，該製備的特種塗層能夠使渦輪發動機的油耗減少，發動機的效率提高；同時使渦輪葉片使用壽命提高，抗熱循環性能明顯提高，提高設備的整體性能。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種新型複合結構塗層，所述塗層採用三層結構的複合塗層，其中在渦輪合金基體表面上採用高速火焰噴塗方法製備粘結層；在該粘結層表面上採用等離子噴塗製備多孔氧化鋯^O2陶瓷層；在該陶瓷層表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將其氧化成緻密的氧化鋁Al2O3表面層。一種新型複合結構塗層的製備方法，所述製備方法包括步驟(1)在渦輪合金基體表面進行除油、除鏽、噴砂或噴丸法的預處理；(2)在預處理後的表面上噴塗製備粘結底層，所述的粘結底層為MCrAlY層，其中M 為鈷Co、鎳Ni或鈷Co、鎳Ni合金；Cr為鉻；Al為鋁；Y為釔；(3)在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層，所述陶瓷層的質量成分比為，氧化釔 Y2O3 :6-8wt%，氧化鋯 ZiO2 :92-94wt% ；(4)在所述陶瓷層的表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將該薄膜鋁層氧化製備得到緻密的氧化鋁Al2O3表面層。
所述合金基體包括鐵基合金、鈷基高溫合金、鎳基高溫合金或含質量比例不同的鈷鎳高溫合金。所述在預處理後的合金表面上噴塗製備粘結底層，具體包括採用亞音速火焰，超音速火焰，爆炸噴塗，超音速等離子噴塗，超音速電弧噴塗或高速電弧噴塗的方式在預處理後的表面上噴塗製備粘結底層。所述在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層，具體包括採用超音速等離子噴塗，大氣等離子噴噴塗或低壓離子噴塗的方式在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層。所述氣相沉積技術包括物理氣相沉積技術PVD和化學氣相沉積技術CVD，其中PVD 包括磁控濺射方法和多弧離子鍍。所述的薄膜鋁層氧化成緻密氧化鋁(Al2O3)的溫度在180°C至330°C之間，氧氣壓力在0. 80-3MPa之間。所製備的緻密表面層厚度為4-6 μ m ；陶瓷層厚度為700-900 μ m ；粘結底層厚度 150-250 μ mo由上述本發明提供的技術方案可以看出，所述複合塗層採用三層結構的複合塗層，其中在渦輪合金基體表面上採用高速火焰噴塗方法製備粘結層；在該粘結層表面上採用等離子噴塗製備多孔氧化鋯^O2陶瓷層；在該陶瓷層表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將其氧化成緻密的氧化鋁Al2O3表面層。本發明的特點在於直接沉積高純金屬鋁靶，通過緩慢氧化反應可促進鋁與YPZ界面反應，促進界面擴散，形成界面擴散層，從而使膜附著力提高；而且採用PVD沉積金屬鋁靶的溫度較低，可以大大提高工業化生產效率。同時，該技術製備的複合塗層具有抗高溫、 抗氧化、抗熱衝蝕性能及具有良好動密封性能；同時使葉片使用壽命提高，抗熱循環性能和設備的整體性能明顯得到提高。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發明實施例所提供的新型複合結構塗層的結構示意圖；圖2為本發明實施例所提供新型複合結構塗層製備方法的流程示意圖。
具體實施例方式下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述，如圖1所示為本發明實施例所提供的新型複合結構塗層的結構示意圖，圖1中該特種塗層採用三層結構的複合塗層，這三層結構分別是第一層在渦輪合金基體表面上採用高速火焰噴塗方法製備MCrAlY粘結層；第二層在該粘結層表面上採用等離子噴塗製備多孔氧化鋯(ZrO2)陶瓷層；第三層在該陶瓷層表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將其氧化成緻密的氧化鋁(Al2O3)表面層。本發明實施例還提供了一種新型複合結構塗層的製備方法，如圖2所示為本發明實施例所提供新型複合結構塗層製備方法的流程示意圖，圖2中包括步驟21 在渦輪合金基體表面進行除油、除鏽、噴砂或噴丸法的預處理。在該步驟中，所述合金基體包括鐵基合金、鈷基高溫合金、鎳基高溫合金或含質量比例不同的鈷鎳高溫合金(其中，Ni :30-74. 5wt%, Co :25-66. 5wt% ) 步驟22 在預處理後的表面上噴塗製備粘結底層。在該步驟中，所述的粘結底層(即MCrAlY層)中，M為鈷Co、鎳Ni或鈷Co、鎳Ni 合金；Cr為鉻；Al為鋁；Y為釔。噴塗方式具體為採用亞音速火焰，超音速火焰，爆炸噴塗，超音速等離子噴塗，超音速電弧噴塗或高速電弧噴塗的方式在預處理後的表面上噴塗製備粘結底層。步驟23 在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層。在該步驟中，所述陶瓷層的質量成分為，氧化釔(Y2O3) :6-8wt%，氧化鋯(&02) 92-94wt% ；其中，上述粘結底層和陶瓷層組成熱障塗層。噴塗製備方式具體為採用超音速等離子噴塗，大氣等離子噴噴塗或低壓離子噴塗的方式在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層。步驟M 在所述陶瓷層的表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，並氧化製備得到Al2O3緻密表面層，溫度為180°C，氧氣壓力為0. 80MPa。在該步驟中，所述氣相沉積技術包括物理氣相沉積技術PVD和化學氣相沉積技術 CVD，其中PVD包括磁控濺射方法和多弧離子鍍等。通過上述製備方法製得的特種塗層的厚度分別為緻密表面層厚度為4-6 μ m ；陶瓷層厚度為700-900 μ m ；粘結底層厚度150-250 μ m。下面以具體的實施過程來對上述製備方法進行說明具體實施方案一本實施方案中，首先在鈷高溫合金基體表面採用除油、除鏽噴丸方法法進行預處理；其次在預處理表面上採用超音速火焰噴塗製備MCrAlY粘結底層，厚度為160 μ m ；然後在MCrAlY粘結底層表面上採用低壓等離子噴塗製備氧化鋯陶瓷層，厚度為800 μ m ；最後在氧化鋯陶瓷層表面上採用化學氣相沉積技術製備薄膜鋁層，並氧化製備得到Al2O3緻密表面層，氧化溫度為200°C，氧氣壓力為l.OMPa，厚度為5μπι。具體實施方案二 本實施方案中，首先在鈷、鎳高溫合金基體表面採用除油、除鏽噴丸方法法進行預處理，其中，Ni :50wt%, Co :50wt% ；其次在預處理表面上採用爆炸噴塗製備NiCoCrAlY粘結底層，厚度為250 μ m ；然後在MCrAlY粘結底層表面上採用超音速等離子噴塗製備氧化鋯陶瓷層，厚度為700 μ m ；最後在氧化鋯陶瓷層表面上採用化學氣相沉積技術製備薄膜鋁層，並氧化製備得到Al2O3緻密表面層，氧化溫度為220°C，氧氣壓力為1. OMPa，厚度為4 μ m。
具體實施方案三本實施方案中，首先在鎳高溫合金基體表面採用除油、除鏽、噴砂方法進行預處理；其次在預處理表面上採用亞音速火焰噴塗製備CoCrAlY粘結底層，厚度為200 μ m ；然後在CoCrAlY粘結底層表面上採用等離子噴塗製備氧化鋯陶瓷層，厚度為750 μ m ；最後在氧化鋯陶瓷層表面上採用物理氣相沉積技術(多弧離子鍍)製備薄膜鋁層，並氧化製備得到 Al2O3緻密表面層，氧化溫度為230°C，氧氣壓力為1. 2MPa，厚度為7μπι。具體實施方案四本實施方案中，首先在鈷高溫合金基體表面採用除油、除鏽噴丸方法法進行預處理；其次在預處理表面上採用亞音速火焰噴塗製備NiCrAlY粘結底層，厚度為170 μ m ；然後在MCrAlY粘結底層表面上採用等離子噴塗製備氧化鋯陶瓷層，厚度為800 μ m ；最後在氧化鋯陶瓷層表面上採用化學氣相沉積技術(磁控濺射)製備薄膜鋁層，並氧化製備得到 Al2O3緻密表面層，氧化溫度為190°C，氧氣壓力為3. 2MPa，厚度為8μπι。具體實施方案五本實施方案中，首先在鎳高溫合金基體表面採用除油、除鏽噴丸方法進行預處理； 其次在預處理表面上採用亞音速火焰噴塗製備CoCrAlY粘結底層，厚度為250 μ m ；然後在 NiCrAlY粘結底層表面上採用等離子噴塗製備氧化鋯陶瓷層，厚度為800 μ m ；最後在氧化鋯陶瓷層表面上採用化學氣相沉積技術製備薄膜鋁層，並氧化製備得到Al2O3緻密表面層， 氧化溫度為230°C，氧氣壓力為3. OMPa，厚度為6. 5 μ m。具體實施方案六本實施方案中，首先在鈷高溫合金基體表面採用除油、除鏽噴丸方法進行預處理； 其次在預處理表面上採用亞音速火焰噴塗製備MCrAlY粘結底層，厚度為200 μ m ；然後在 NiCrAlY粘結底層表面上採用低壓等離子噴塗製備氧化鋯陶瓷層，厚度為750 μ m ；最後在氧化鋯陶瓷層表面上採用化學氣相沉積技術製備薄膜鋁層，並氧化製備得到Al2O3緻密表面層，氧化溫度為230°C，氧氣壓力為2. 5MPa，厚度為5. 5 μ m。綜上所述，採用上述方法製備得到的新型複合結構塗層能夠使渦輪發動機的油耗減少，發動機的效率提高；同時使葉片使用壽命提高，抗熱循環性能明顯提高，提高設備的整體性能。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種新型複合結構塗層，其特徵在於，所述塗層採用三層結構的複合塗層，其中 在渦輪合金基體表面上採用高速火焰噴塗方法製備粘結層；在該粘結層表面上採用等離子噴塗製備多孔氧化鋯^O2陶瓷層； 在該陶瓷層表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將其氧化成緻密的氧化鋁 Al2O3表面層。
2.一種新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所述製備方法包括步驟(1)在渦輪合金基體表面進行除油、除鏽、噴砂或噴丸法的預處理；(2)在預處理後的表面上噴塗製備粘結底層，所述的粘結底層為MCrAlY層，其中M為鈷 Co、鎳Ni或鈷Co、鎳Ni合金；Cr為鉻；Al為鋁；Y為釔；(3)在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層，所述陶瓷層的質量成分比為，氧化釔 Y2O3 :6-8wt%，氧化鋯 ZiO2 :92-94wt% ；(4)在所述陶瓷層的表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將該薄膜鋁層氧化製備得到緻密的氧化鋁Al2O3表面層。
3.如權利要求2所述的新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所述合金基體包括鐵基合金、鈷基高溫合金、鎳基高溫合金或含質量比例不同的鈷鎳宮、〉日A全向inn 口巫。
4.如權利要求2所述的新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所述在預處理後的合金表面上噴塗製備粘結底層，具體包括採用亞音速火焰，超音速火焰，爆炸噴塗，超音速等離子噴塗，超音速電弧噴塗或高速電弧噴塗的方式在預處理後的表面上噴塗製備粘結底層。
5.如權利要求2所述的新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所述在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層，具體包括採用超音速等離子噴塗，大氣等離子噴噴塗或低壓離子噴塗的方式在該粘結底層的表面上噴塗製備陶瓷層。
6.如權利要求2所述的新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所述氣相沉積技術包括物理氣相沉積技術PVD和化學氣相沉積技術CVD，其中PVD包括磁控濺射方法和多弧離子鍍。
7.如權利要求2所述的新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所述的薄膜鋁層氧化成緻密氧化鋁Al2O3的溫度在180°C至330°C之間，氧氣壓力在0. 80-3MPa之間。
8.如權利要求2所述的新型複合結構塗層的製備方法，其特徵在於，所製備的緻密表面層厚度為4-6 μ m ；陶瓷層厚度為700-900 μ m ；粘結底層厚度150-250 μ m。
全文摘要
本發明實施例公開了一種新型複合結構塗層及其製備方法，所述塗層採用三層結構的複合塗層，其中在渦輪合金基體表面上採用高速火焰噴塗方法製備粘結層；在該粘結層表面上採用等離子噴塗製備多孔氧化鋯ZrO2陶瓷層；在該陶瓷層表面上採用氣相沉積技術製備薄膜鋁層，然後將其氧化成緻密的氧化鋁Al2O3表面層。該方法製備的複合塗層能夠使渦輪發動機的油耗減少，發動機的效率和抗熱循環性能提高；同時使渦輪的使用壽命和設備的整體性能得到提高。
文檔編號C23C4/06GK102534613SQ20111042798
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者任先京, 張樂, 沈婕, 章德銘, 袁建鵬, 高峰 申請人:北京礦冶研究總院