[发明专利]一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于热障涂层技术领域，尤其涉及一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBCs)在航空航天领域有众多应用。热障涂层可以将高温部件与高温工作环境隔绝，以降低热端部件的工作温度，防止基材部件发生高温腐蚀和高温氧化，延长其使用寿命。目前高压涡轮工作叶片、导向叶片、燃烧室等零件均采用热障涂层技术。

目前热障涂层大部分采用双层结构，包括粘结底层和陶瓷面层。粘结底层用APS、HVOF、LPPS或冷喷涂制备MCrAlY涂层，起到抗氧化、降低陶瓷面层与基体的热膨胀系数的作用。陶瓷面层采用普通大气等离子工艺喷涂具有隔热作用的Y₂O₃部分稳定的ZrO₂(YSZ)涂层。

热障涂层的失效因素较为复杂，主要存在两大主因素，一种是由于热障涂层在高温环境下金属粘结底层的热膨胀系数较大，发生较大体积膨胀，而陶瓷面层的热膨胀系数较小，导致粘结底层与陶瓷面层产生热应力，最终导致涂层失效；另一种是金属粘结底层在高温下发生氧化，生成尖晶石类氧化物TGO，随着TGO的增厚，在陶瓷—金属界面会发生裂纹的萌生和扩展，最终导致陶瓷面层剥落失效。

传统热障涂层的制备工艺，采用超音速火焰喷涂MCrAlY涂层，采用大气等离子喷涂陶瓷面层。但是，超音速火焰喷涂MCrAlY涂层对粉末要求较苛刻，对于较粗粉末融化不充分，涂层抗氧化性能差，加工效率低。利用大气等离子喷涂陶瓷面层，涂层沉积效率低、粉末受热不均匀且速度低，融化不充分，导致陶瓷面层气孔率较大，结合强度与热震寿命偏低，严重制约了热障涂层的使用。再者，利用两种不同工艺分别制备热障涂层的粘结底层与陶瓷面层，增加了工艺的复杂性，不仅使得涂层加工效率低下，而且加工成本提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法，解决了现有技术中制备热障涂层粘结底层时采用超音速火焰喷涂对喷涂原料的限制，以及制备热障涂层陶瓷面层时采用常规大气等离子工艺喷涂效率低，孔隙率大，结合强度与寿命偏低的问题。本发明可以快速高效制备粘结底层与高性能长寿命的陶瓷面层。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法，包括以下步骤：

步骤a、采用高能等离子喷涂设备或超音速火焰喷涂设备将MCrAlY合金粉喷涂至基体表面制备粘结底层，喷涂过程中采用压缩空气对基体进行强制冷却，使基体温度低于200℃。

步骤b、采用高能等离子喷涂设备将8YSZ粉末喷涂至已制备粘结底层的基体表面制备陶瓷面层，喷涂过程中采用压缩空气对基体进行强制冷却，使基体温度低于300℃。

更进一步地，本发明的特点还在于：

在步骤a中，采用高能等离子喷涂设备喷涂粘结底层时，喷涂功率为150KW～170KW，喷涂电压为380V～420V，喷涂主气采用N₂或者Ar，喷涂辅气采用H₂，喷涂主气流量为70SLPM～80SLPM，喷涂辅气流量为10SLPM～20SLPM，喷涂距离为170mm～200mm，送粉量为100g/min～300g/min；

在步骤b中，陶瓷面层的喷涂功率为170KW～200KW，喷涂电压为380V～420V，喷涂主气采用N₂或Ar，喷涂辅气采用H₂，喷涂主气流量为80SLPM～100SLPM，喷涂辅气流量为25SLPM～50SLPM，喷涂距离为180mm～200mm，送粉量为50g/min～150g/min，移枪速度大于300mm/s。

在步骤a之前，对基体表面进行去油处理，并进行粗化处理。

在步骤a之前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽保护。

高能等离子喷涂设备的喷枪采用具有拉瓦尔结构的喷枪。

MCrAlY合金粉的粉末粒度为15μm～60μm。

8YSZ粉末团聚后粒度为20μm～100μm。

采用绝缘材料将高能等离子喷涂设备或超音速火焰喷涂设备的喷枪加持在机械手上进行喷涂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：