電子束物理氣相沉積粘結層成分連續變化的梯度熱障塗層的製作方法
2023-05-30 09:34:26 1
專利名稱：電子束物理氣相沉積粘結層成分連續變化的梯度熱障塗層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用電子束物理氣相沉積製備熱障塗層材料的方法，所製備得到的熱障塗層的粘結層成分呈梯度變化。
背景技術：
隨著現代高科技的發展，特別是在燃氣渦輪發動機的高溫環境下，現有金屬材料的單獨使用已經不能滿足設計及使用要求。熱障塗層是二十世紀六十年代開發出來的一種表面熱防護技術，其設計思想是利用陶瓷材料優越的耐高溫、抗腐蝕和低導熱等性能，以塗層的方式將陶瓷與金屬基體相複合，在提高金屬熱端部件抗高溫腐蝕能力的同時，使其能承受更高的使用溫度，並具有提高發動機的工作溫度、延長熱端部件使用壽命的效果。
目前採用的熱障塗層結構基本上為由陶瓷隔熱層與粘結層所構成的雙層結構。其製備方法主要有電子束物理氣相沉積與等離子噴塗。
粘結層是為了緩解陶瓷塗層和基體的熱不匹配、同時也為了提高基體的抗氧化性而在基體和陶瓷塗層之間添加的金屬合金塗層(鎳、鈷、鉻、鋁、釔(Ni，Co，Cr，Al，Y))。由於粘結層成分對氧化速率、氧化膜成分及完整性以及與基體的結合力等因素有決定作用，而這些因素直接影響熱障塗層的壽命；同時，粘結層也對阻止垂直裂紋擴展、提高基體的熱疲勞壽命具有重要的作用。因此，粘結層成分的設計及其在塗覆過程中的成分控制對於熱障塗層的壽命至關重要。
目前國際上通用的鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)粘結層的成分中，為了兼顧粘結層的塑性與抗高溫氧化性能，往往控制鋁(Al)的含量在8wt％左右。這種塗層成分設計在數千小時以下使用條件下是合理的，但是，在更長服役條件下，由於氧化造成粘結層中鋁(Al)含量的消耗，將產生貧鋁(Al)層，導致塗層的使用壽命下降。
發明內容
本發明的目的之一是公開一種熱障塗層材料，其粘結層與陶瓷層接合處的鋁含量呈梯度上升，以提高粘結層的抗高溫氧化能力，而不降低其塑性。
本發明的目的之一是公開一種用電子束物理氣相沉積製備熱障塗層材料的方法。
本發明公開了一種熱障塗層材料，它是在金屬表面鍍上一層粘結層材料和陶瓷層材料，所述的粘結層材料為鎳、鈷、鉻、鋁、釔，其組份(重量百分比)40～60％的鎳，18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.5％的釔；所述的陶瓷層材料為氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。
本發明公開了一種用電子束物理氣相沉積製備熱障塗層材料的方法，包含下列步驟，(1)準備粘結層料棒、陶瓷層料棒，備用；(2)準備基板材料，備用；(3)將粘結層料棒、陶瓷層料棒各取一根分別放置在坩堝中；(4)將基板安裝在旋轉基板架上；(5)將全真空室抽至所需真空度～10-4Pa；(6)設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，並用電子束加熱基板600～900℃，電子束電壓17～19kV；(7)預蒸發粘結層料棒，並調節電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發量；(8)拉開擋板，進行蒸發沉積粘結層蒸發沉積粘結層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；根據塗層厚度對粘結層厚度的要求當蒸發到粘結層總厚度的2/3時調節電子束電流由原來的1.8A逐漸變化至0.8A，變化速率0.2～0.3A/min，開始沉積粘結層的過渡層；(9)粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(10)蒸發沉積陶瓷層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(11)關閉設備，取出熱障塗層材料，製備結束。
本發明的優點(1)、高速蒸發沉積；(2)、粘結層中的鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鋁(Al)、釔(Y)成分可控；(3)、粘結層中鋁(Al)含量梯度變化、可控；(4)、粘結層具有良好的塑性與抗長時間高溫氧化腐蝕能力；(5)、熱障塗層服役壽命大幅度提高。
圖1是本發明製備得到的熱障塗層材料的結構剖視圖。
圖2是本發明設備示意圖。
圖3是本發明熱障塗層厚度方向上Al、O和Zr成分分布圖。
圖4是熱障塗層截面的SEM照片。
圖中1.真空室 2.料棒蒸發源坩堝3.料棒蒸發源坩堝4.粘結層料棒 5.陶瓷層料棒 6.擋板7.旋轉基板架8.電子槍 9.電子槍 10.基板具體實施方式
下面將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明本發明是一種熱障塗層材料，它是在金屬表面鍍上一層粘結層材料和陶瓷層材料，其特徵在於所述的粘結層材料為鎳、鈷、鉻、鋁、釔，其組份(重量百分比)40～60％的鎳，18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.5％的釔；所述的陶瓷層材料為氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。
本發明的用電子束物理氣相沉積製備熱障塗層材料的方法，包含下列步驟，(1)準備粘結層料棒、陶瓷層料棒，備用；(2)準備基板材料，備用；(3)將粘結層料棒、陶瓷層料棒各取一根分別放置在坩堝中；(4)將基板安裝在旋轉基板架上；(5)將全真空室抽至所需真空度～10-4Pa；(6)設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，並用電子束加熱基板600～900℃，電子束電壓17～19kV；(7)預蒸發粘結層料棒，並調節電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發量；(8)拉開擋板，進行蒸發沉積粘結層蒸發沉積粘結層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；根據塗層厚度對粘結層厚度的要求當蒸發到粘結層總厚度的2/3時調節電子束電流由原來的1.8A逐漸變化至0.8A，變化速率0.2～0.3A/min，開始沉積粘結層的過渡層；(9)粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(10)蒸發沉積陶瓷層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(11)關閉設備，取出熱障塗層材料，製備結束。
實施例(1)取鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒直徑70mm，長200mm放入真空室1的料棒蒸發源坩堝2中；並在鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒表面添加70g鈮，在蒸發沉積時使此料棒表面形成「熱池」；取氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)陶瓷料棒直徑70mm，長200mm放入真空室1的料棒蒸發源坩堝3中；選取基板為鎳(Ni)基高溫合金安裝在旋轉基板架7上；(2)對真空室1抽真空5×10-4Pa；(3)設定旋轉基板架7的旋轉速度15rpm，並用電子束加熱基板650℃，電子束電壓18kV；(4)預蒸發鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒，並調節電子束流1.6A、料棒上升速率0.8mm/min，控制蒸發量；(5)拉開擋板，進行蒸發沉積鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金粘結層蒸發沉積鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金均勻粘結層厚度30μm，電子束電流為1.6A，料棒上升速率1.2mm/min，沉積時間15min；調節沉積工藝參數，電子束電流由原來的1.6A逐漸變化至0.8A，變化速率0.2A/min，製備鋁含量呈梯度上升的過渡層厚度10μm，料棒上升速率1.2mm/min，沉積時間5min；(6)粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1100℃，時間2hrs；(7)蒸發沉積氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)材料的陶瓷層，陶瓷層厚度150μm，調節電子束電流為1.5A，料棒上升速率1.4mm/min，沉積時間30min；蒸發沉積陶瓷層前需調節旋轉基板架7，使安裝在旋轉基板架7上的基板10調節至放有陶瓷層料棒5的蒸發源坩堝1的上方。
(8)陶瓷層沉積完畢，進行真空熱處理溫度1100℃，時間2hrs；(9)關閉設備，取出熱障塗層材料，製備結束。
經本發明的製備工藝得到的在鎳(Ni)基高溫合金上氣相沉積的熱障塗層[鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金+氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)]在1100℃、空氣中氧化100小時後的氧化增重量小於0.5g/cm2，服役時間超過10000小時，有效地提高了熱障塗層的服役壽命。
權利要求
1.一種熱障塗層材料，它是在金屬表面鍍上一層粘結層材料和陶瓷層材料，其特徵在於所述的粘結層材料為鎳、鈷、鉻、鋁、釔，其組份(重量百分比)40～60％的鎳，18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.5％的釔；所述的陶瓷層材料為氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。
2.一種用電子束物理氣相沉積製備熱障塗層材料的方法，其特徵在於包含下列步驟，(1)準備粘結層料棒、陶瓷層料棒，備用；(2)準備基板材料，備用；(3)將粘結層料棒、陶瓷層料棒各取一根分別放置在坩堝中；(4)將基板安裝在旋轉基板架上；(5)將全真空室抽至所需真空度～10-4Pa；(6)設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，並用電子束加熱基板600～900℃，電子束電壓17～19kV；(7)預蒸發粘結層料棒，並調節電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發量；(8)拉開擋板，進行蒸發沉積粘結層蒸發沉積粘結層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；根據塗層厚度對粘結層厚度的要求當蒸發到粘結層總厚度的2/3時調節電子束電流由原來的1.8A逐漸變化至0.8A，變化速率0.2～0.3A/min，開始沉積粘結層的過渡層；(9)粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(10)蒸發沉積陶瓷層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(11)關閉設備，取出熱障塗層材料，製備結束。
3.根據權利要求2所述的製備熱障塗層材料的方法，其特徵在於在粘結層料棒之上放置70～100g的鈮或者鎢或者鉬，使料棒的表面形成「熱池」，提高電子束輻照熔池的溫度，使得塗層中的鎳、鈷、鉻、鋁、釔的成分與料棒中的成分一致。
4.根據權利要求2所述的製備熱障塗層材料的方法，其特徵在於粘結層與陶瓷層的厚度比1∶3～5，過渡層的厚度是粘結層總厚度的1/3。
5.根據權利要求2所述的製備熱障塗層材料的方法，其特徵在於在步驟(8)中過渡層的鋁含量呈梯度上升，其上升值由原來的(重量百分比)6～8％上升至12～15％。
6.根據權利要求2所述的製備熱障塗層材料的方法，其特徵在於在步驟(10)中，應當先調節旋轉基板架，使安裝在旋轉基板架上的基板調節至放有陶瓷層料棒的蒸發源坩堝的上方。
全文摘要
本發明公開了一種電子束物理氣相沉積粘結層成分連續變化的梯度熱障塗層材料及其製備方法，它是在金屬表面鍍上一層粘結層材料和陶瓷層材料。該方法製備得到的熱障塗層由粘結層和陶瓷層組成，通過控制蒸發沉積工藝參數使與陶瓷層相鄰的粘結層的過渡層的鋁含量呈梯度上升，鋁含量的上升提高了粘結層的抗長時間高溫氧化腐蝕的能力，有效地提高了在高溫環境下熱障塗層服役壽命。
文檔編號B05D7/14GK1563213SQ20041002970
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月24日 優先權日2004年3月24日
發明者徐惠彬, 宮聲凱, 畢曉昉, 周春根, 劉福順 申請人:北京航空航天大學