[发明专利]热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层材料领域，特指一种热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法。

背景技术

热障涂层是指具有优异隔热性能的陶瓷涂层材料，通常由金属粘结层和耐热的氧化物陶 瓷层组成。热障涂层可以有效降低高温部件的工作温度，避免高温氧化、腐蚀与磨损等，目 前广泛应用于喷气发动机、燃气轮机叶片、导向叶片、翼面和涡轮桨等高温部件。

热障涂层的概念是20世纪50年代初提出的，最早使用的热障涂层材料是ZrO₂陶瓷，其 熔点高，热导率低，抗热冲击性能好，热膨胀系数较大，与金属基体相差相对较小，但是ZrO₂不稳定，在较高温度下容易发生晶型转变，且伴随较大的体积变化，这大大降低了它的使用 寿命。为此，需采用其它氧化物进行稳定化处理，用于稳定的氧化物有MgO、CaO、Y₂O₃等，其中稳定性最好的是Y₂O₃。目前应用最多的热障涂层材料为ZrO2-(6～8)wt％Y₂O₃(YPSZ)。 随着航空燃气轮机逐渐向高流量比、高推重比、高进气口温度方向发展，对高温部件工作温 度的要求越来越高，现广泛使用的YPSZ涂层材料已不能满足应用的需求，因此，一些新的 热障涂层材料不断涌现。

热障涂层的制备方法很多，现在应用较多的有两种，一种是等离子喷涂(PS)，另一种是 电子束物理气相沉积(EB-PVD)。与后者相比，前者具有设备投资小、工艺简单、效率高、 涂层成分和厚度易于控制、对被喷零件尺寸和形状要求小等优点，得到了广泛的应用。等离 子喷涂的热障涂层与基体之间是机械咬合，为了提高涂层与基体之间的结合，除了最佳化等 离子喷涂工艺参数外，基体表面的前处理也是十分重要的。因此，喷涂之前通常对基体表面 进行净化和粗化处理，这是提高界面结合强度的有效途径之一。净化主要是为了去除基体表 面的氧化皮、油渍等，通常采用溶剂清洗、加热脱脂等方法。溶剂清洗等化学净化方法不仅 难以控制，而且易对环境造成严重污染；加热脱脂只能去除表面有机物，净化不彻底，而且 存在二次污染。粗化是为了增加涂层与基体的接触面，使净化过的表面更加活化，进而提高 涂层的结合强度，通常采用喷砂方法。喷砂处理由于受气源压力、喷砂枪、金刚砂的硬度和 粒度等的影响，易造成表面粗糙度不稳定，且大小、形状不易调控，从而影响界面结合与界 面应力分布，无法充分提高涂层的使用寿命。

针对上面存在的问题，本发明提出采用激光清洗与激光毛化复合工艺处理基体表面，以 有效提高涂层与基体间的界面结合强度。激光清洗是一种新的清洗方法，其是利用激光的方 向性和高亮度，通过光剥离、光分解等原理清除材料表面的污染物，与目前常用的溶剂清洗、 加热脱脂等方法相比，具有简单方便、无污染及二次污染等独特的优点。激光毛化主要是通 过激光束与材料的相互作用，在材料表面进行熔凝-造型，采用电信号波形调控技术，不仅可 以调整表面粗糙度，而且可以调整微坑的形状，如圆形、矩形、三角形和菱形。同与之相近 的喷砂粗化处理相比，其具有表面粗糙度均匀、易调控、无污染、无噪声，处理速度快等优 点。通过激光预处理的基体表面，有利于获得更高的界面结合强度，延长涂层的使用寿命； 此外，有利于改善涂层中的应力分布，提高涂层的抗热震性能和力学性能。因此，采用激光 复合等离子喷涂工艺能够制备出高性能的界面结合牢固的热障涂层。

发明内容

热障涂层广泛应用于高温环境中，提高涂层与基体的界面结合强度，延长使用寿命具有 重要的工程实际意义。基体表面的净化与粗化是提高涂层与基体界面结合强度的有效方法， 但现有的净化和粗化方法由于自身种种因素的影响，难以充分发挥表面净化与粗化的作用， 不能有效提高界面结合强度，延长使用寿命。本发明的目的是为解决上面的问题，提供一种 热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其通过激光清洗与激光毛化有效地处理与控制基体 表面的清洁度与形貌，增大涂层与基体的接触面积，改善涂层中的应力分布，从而有效提高 涂层与基体的界面结合强度、抗热震性能与力学性能，延长涂层的使用寿命。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光预处理与等离子喷涂相结合的复合工艺制 备热障涂层，提高涂层与基体的界面结合强度，延长涂层的使用寿命。其步骤为：

1)将待处理材料采用线切割切成所需尺寸；