[发明专利]一种高温结构材料的热障层的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于合金材料高温处理技术，具体涉及一种高温结构材料的热障层的制备方法。

背景技术

高温结构材料被广泛用做飞机、轮船、汽车等装置中的涡轮发动机燃烧室、高温锅炉的高温燃烧室及其它高温工作区的结构材料，要在1000℃以上高温及氧化腐蚀的恶劣环境下工作。在如此高的温度下，现有高温结构材料(如Fe基、Ni基、Co基、Ti基、Nb基、W基、Ta基高温合金，或超高温合金和金属间的化合物)已经难以同时满足高温强度和耐高温氧化这两个要求。目前采用表面涂覆保护层的方法来保护高温结构材料，降低高温结构材料表面温度，提高实际工作温度。保护层是指多层复合结构，含有陶瓷隔热层的保护层称为热障层。最简单的热障层包括一个陶瓷隔热层和一个抗氧化粘结层，陶瓷隔热层的用途是在其两侧形成温度差，从而降低高温工作环境下高温结构材料表面的温度；在高温结构材料与陶瓷隔热层之间的抗氧化粘结层，一般成分是金属或合金，起到抗高温氧化和热应力匹配双重作用。而在更复杂的保护层结构中抗高温氧化、粘结、阻止元素扩散的功能可能由不同的镀层或涂层来实现。不同的高温结构材料会采用不同的热障层。比如目前应用最广的Ni基高温合金材料，广泛采用MCrAlY合金(其中的M可代表Fe、Ni、Co、NiCo或其它金属元素)抗氧化粘结层或者Ni₃Al和Pt的抗氧化粘结层加PSZ(用Y₃O₂、MgO、CeO₂、Sc₂O₃、In₂O₃或CaO作稳定剂的部分稳定的氧化锆)隔热陶瓷层，起到抗高温氧化和应力匹配双重作用。隔热陶瓷层构成的热障层是高温防护性能最佳、应用前景最好的一类表面防护涂层。目前热障层主要采用等离子体喷涂或电子束物理气相沉积方法制备，其他物理、化学气相沉积方法、溶-凝胶法也在探索中。即成熟的热障层的制备方法是，首先在Ni基高温合金上镀或涂覆50μm～300μm厚的MCrAlY抗氧化粘结层，再在粘结层上镀或涂覆60μm～200μm厚的PSZ隔热陶瓷层。此类热障层在高温氧化过程中，粘结层和隔热陶瓷层之间会形成一热氧化层，当热氧化层增至一定厚度后，粘结层和隔热陶瓷层的失配应力会使隔热陶瓷层脱落、失效。

发明内容

本发明克服现有技术中的不足，提供一种利用强脉冲离子束辐照的制备热障层方法，该方法可降低粘结层和隔热陶瓷层间的失配应力，延长热障层在高温氧化环境下的服役寿命。

本发明的技术方案是：

一种高温结构材料的热障层的制备方法，其步骤包括：

1)在高温结构材料上镀或涂覆一层抗氧化粘结层；

2)在上述抗氧化粘结层上镀或涂覆一层隔热陶瓷层；

3)用强脉冲离子束对上述材料的表面进行辐照，使上述隔热陶瓷层和抗氧化粘结层发生熔融混合形成一过渡层；

4)随后再镀或涂覆一层隔热陶瓷层，制得高温结构材料的热障层。

所述抗氧化粘结层可为MCrAlY合金，其中的M代表Fe、Ni、Co、NiCo或其它金属元素，所述抗氧化粘接层还可以是Ni₃Al和Pt。

所述隔热陶瓷层可采用PSZ隔热陶瓷，PSZ为用Y₃O₂、MgO、CeO₂、Sc₂O₃、In₂O₃或CaO作稳定剂的部分稳定的ZrO₂。其中，步骤2)中的隔热陶瓷层的厚度范围为1～10μm。

所述强脉冲离子束的离子能量峰值可在10keV～1MeV之间，离子束流的强密度峰值在10A/cm²～1kA/cm²之间，以及离子束的脉冲宽度在10ns～10μs之间。

所述强脉冲离子束可是一种或多种价态的C离子束，或是C离子与H离子的混合离子束、或是金属离子束。

所述强脉冲离子束的辐照可采用单脉冲方式、双脉冲方式或多脉冲方式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：