[发明专利]一种新型复合结构涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种新型复合结构涂层及其制备方法。

背景技术

目前，在高性能涡轮发动机(如航空、电厂、船舶)的研制中，提高发动机的进口温度和压力是其永恒的追求。发动机涡轮是提高发动机进口温度和压力的关键构件之一，其材料性能和力学性能必须满足耐高温、高压燃气冲蚀苛刻环境的要求。涡轮发动机设计温度和压力的提高，这仅仅依靠冷却系统和研制新材料已不能满足对发动机的迫切需求，使用涂层防护技术是这一领域研究的热点，涂层防护可以满足热障和封严及高温抗氧化、耐冲蚀的矛盾，保证发动机的安全可靠运行。

随着发动机进气温度和压力的不断提高，涡轮需要在更高的温度和压力下工作，要求涡轮上的涂层能够长期在高温(如1150℃以上)环境下使用，并使基体温度保持在使用温度范围内，同时具有良好的动密封性能。在现有技术方案中，常用的多孔氧化锆陶瓷材料可以满足涂层在高温隔热、封严的作用，但多孔结构容易受到高压气流的冲蚀，易使氧化气氛穿过孔洞到达粘结层，从而造成粘结层的氧化失效。现有技术中缺乏抗高温、抗氧化、抗热冲蚀性能及具有良好动密封性能的特种热障封严涂层，制约了发动机涡轮的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型复合结构涂层及其制备方法，该制备的特种涂层能够使涡轮发动机的油耗减少，发动机的效率提高；同时使涡轮叶片使用寿命提高，抗热循环性能明显提高，提高设备的整体性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新型复合结构涂层，所述涂层采用三层结构的复合涂层，其中：

在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备粘结层；

在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆ZrO₂陶瓷层；

在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝Al₂O₃表面层。

一种新型复合结构涂层的制备方法，所述制备方法包括步骤：

(1)在涡轮合金基体表面进行除油、除锈、喷砂或喷丸法的预处理；

(2)在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层，所述的粘结底层为MCrAlY层，其中M为钴Co、镍Ni或钴Co、镍Ni合金；Cr为铬；Al为铝；Y为钇；

(3)在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层，所述陶瓷层的质量成分比为，氧化钇Y₂O₃：6-8wt％，氧化锆ZrO₂：92-94wt％；

(4)在所述陶瓷层的表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将该薄膜铝层氧化制备得到致密的氧化铝Al₂O₃表面层。

所述合金基体包括铁基合金、钴基高温合金、镍基高温合金或含质量比例不同的钴镍高温合金。

所述在预处理后的合金表面上喷涂制备粘结底层，具体包括：

采用亚音速火焰，超音速火焰，爆炸喷涂，超音速等离子喷涂，超音速电弧喷涂或高速电弧喷涂的方式在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层。

所述在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层，具体包括：

采用超音速等离子喷涂，大气等离子喷喷涂或低压离子喷涂的方式在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层。

所述气相沉积技术包括物理气相沉积技术PVD和化学气相沉积技术CVD，其中PVD包括磁控溅射方法和多弧离子镀。

所述的薄膜铝层氧化成致密氧化铝(Al₂O₃)的温度在180℃至330℃之间，氧气压力在0.80-3MPa之间。

所制备的致密表面层厚度为4-6μm；陶瓷层厚度为700-900μm；粘结底层厚度150-250μm。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述复合涂层采用三层结构的复合涂层，其中：在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备粘结层；在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆ZrO₂陶瓷层；在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝Al₂O₃表面层。