[发明专利]一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺

说明书

本发明涉及激光应用技术领域，还涉及一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺。利用皮秒激光对热障涂层粘结层与粘结层界面制备过程进行刻蚀工艺处理，获得界面榫型交错结构，以此来提高等离子喷涂陶瓷层与粘结层之间的结合强度。在高温循环氧化过程中，起到有效调整涂层界面热应力分布状态，改变涂层的集中受力方式，打破TGO等速以及平面推进的生长模式，降低热应力和TGO生长方式对粘结层与陶瓷层结合力的损害。通过热震性实验，粘结层冲击之后的热障涂层寿命得到了大幅提高。本发明的热障涂层界面结构调节方法，工艺简单，操作容易，便于实施。

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，还涉及一种航空发动机叶片热障涂层的制备工艺。

背景技术

高压涡轮叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机发展的短板。目前，高温合金是高压涡轮叶片采用的主要结构材料，其中，单晶合金的承温能力最高，它能承受的最高温度为1150℃左右，已接近高温合金的承温极限。但是，就涡轮叶片的工况而言，即使采用先进的气膜冷却技术，到达叶片表面的燃气温度仍高于叶片合金的承温极限。针对该问题，国际上公认热障涂层是显著提高发动机服役温度最切实可行的办法。

热障涂层的失效行为非常复杂，许多因素都对涂层寿命产生影响，涂层的裂纹大小与分布；气孔的大小、形状及分布；粘结层的抗氧化性，陶瓷层的相稳定性；热循环过程中应力的大小；各层性能的相容性；各层界面的结合特性等等。但从目前所有研究的报道来看，涂层失效的宏观结果，主要表现热障涂层经过高温循环热作用后粘结层与基体、粘结层与陶瓷层的脱落与剥落上。

皮秒激光的脉宽很短，只有几个皮秒，具有很高的峰值功率。它与材料相互作用时，刻蚀部分热影响很小，产生冷加工的效果，避免不必要的热效应，无热影响区，且边缘光滑，因此可利用皮秒激光进行高精密加工。皮秒激光器波长涵盖红外到紫外，可处理的材料范围极广，适用于很多场合的加工应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提高热障涂层粘结层与陶瓷层的结合力，调节热障涂层界面的热应力分布状态，打破因高温氧化形成的界面TGO生长后存在的连片模式，从而提高热障涂层的使用寿命。

实施本发明的装置包括等离子喷涂设备和Nd:YAG激光器及其控制系统，实施不同的后续处理分别采用不同的设备。

本发明技术方案是利用皮秒激光对热障涂层粘结层与粘结层界面制备过程进行刻蚀工艺处理，获得界面榫型交错结构(如图d所示)，调整界面应力分布以及改变TGO生长后存在的模式，实现对热障涂层界面的最佳调控。

1、粘结层制备工艺：

(1)用180目砂纸预磨GH586试样表面；

(2)喷涂前采用高压气体对基体进行喷砂处理；

(3)喷涂的工艺参数如下表1；

(4)粘结层厚度控制在100～150μm。

表1等离子喷涂粘结层工艺参数

2、陶瓷层制备工艺

直接在粘结层表面进行等离子喷涂制备陶瓷层，具体工艺参数如表2所示。陶瓷层厚度控制在45-55μm。

表2等离子喷涂陶瓷层工艺参数

3、皮秒激光刻蚀陶瓷层表面预处理步骤：

(1)将待处理陶瓷层表面用砂纸初步打磨；

(2)将待处理试样装夹在工作台上，打开Nd:YAG皮秒激光器，按照预设程序进行表面刻蚀预处理；

(3)其具体工艺参数如下：

工作波长：1064或532nm；