[发明专利]一种提高热障涂层耐氧化性能的处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种提高热障涂层耐氧化性能的处理方法，即强流脉冲电子束辐照实现电子束物理气相沉积制备热障涂层陶瓷层的柱状晶封顶，从而提高热障涂层隔热和耐氧化性能，属于热障涂层表面处理与改性技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的发展，发动机涡轮叶片等热端部件的使用温度越来越高，这就对制备叶片的高温合金的耐高温性能提出更高的要求，解决问题的方法之一就是在叶片表面制备具有高温抗氧化和隔热性能的热障涂层（TBCs）。热障涂层系统包括高温合金基体、陶瓷层、粘结层及陶瓷层与粘结层之间的热生长氧化层（TGO）。热障涂层的发展有近30 年的历史，热障涂层的制备工艺也是在不断的改进。从最初的大气压等离子体喷涂（APS）发展到低气压等离子体喷涂（LPPS）、还包括超音速火焰喷涂（HOVF）及激光熔覆等多种方法。电子束物理气相沉积（EB-PVD）是近年来发展起来的一种比较先进的制备热障涂层新技术，是用高能电子束加热并汽化陶瓷源，陶瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成的。

EB－PVD法制备的热障涂层的陶瓷层表面光洁,有良好的动力学性能；特别是陶瓷层组织为垂直于基件表面的柱状晶结构，这种柱状晶结构使涂层具有良好的热应变和热应力承受能力，在冷热循环过程中, 与合金基体、粘结层一起膨胀或收缩而不剥落,就是说垂直于基体表面的柱状晶，有效提高涂层的应变容限，提高了热障涂层的使用寿命。

但是这种技术也存在两点不足：

一是电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术制备的热障涂层陶瓷层的柱状晶难以阻挡氧离子、硫离子等沿纵向界面和ZrO₂柱状晶本身向陶瓷层和粘结层界面快速扩散, 形成所谓的热生长氧化物( TGO)。由于在合金黏结层和陶瓷层界面TGO形成及不断增厚, 形成较大的生长应力, 进而在界面和TGO层内部萌生裂纹, 裂纹扩展引起涂层过早失效。

二是柱状晶组织及其间隙的方向均平行于热传导方向，引起热障涂层导热性能的明显增加，在一定程度上降低了隔热涂层的功能，不利于热障涂层耐氧化性能的提高。

鉴于上述两个方面的技术问题考虑，本发明提供一种电子束物理气相沉积（EB-PVD）热障涂层陶瓷层的表面处理和改性方法，通过强流脉冲电子束辐照热障涂层的陶瓷层使其重熔，实现柱状晶“封顶”，从而使经强流脉冲电子束辐照处理的热障涂层的隔热性能及高温稳定性得到明显提高。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备热障涂层的两点不足，即所制备陶瓷层的柱状晶结构降低其隔热功能；同时柱状晶难以阻挡氧离子、硫离子等沿纵向界面和ZrO₂ 柱状晶本身向陶瓷层和粘结层界面快速扩散, 形成所谓的热生长氧化物( TGO)。提供一种新型的强流脉冲电子束辐照热障涂层表面处理和改性技术，提供适合电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备热障涂层表面改性的强流脉冲电子束最佳辐照处理参数。

本发明采用的技术方案是：一种提高热障涂层耐氧化性能的处理方法，利用强流脉冲电子束辐照实现电子束物理气相沉积制备的热障涂层陶瓷顶层柱状晶封顶，其具体步骤如下：

第一步、高温合金基体（或发动机叶片等部件）经过预磨、抛光、清洗处理后，利用低气压等离子体喷涂的方法（LPPS）在高温合金基体（或发动机叶片等部件）沉积粘结层，粘结层的涂层材料为MCrAlY，然后利用电子束物理气相沉积方法（EB-PVD）在粘结层上继续沉积氧化钇稳定的氧化锆陶瓷层，完成热障涂层的制备；

第二步、将制备好的热障涂层试样固定在强流脉冲电子束装置的试样台上，关闭真空室并抽真空，使真空度达到3.5×10^-2Pa；

第三步、根据强流脉冲电子束设备的技术要求电压为15kV，频率为1Hz；室温下，选择强流脉冲电子束能量密度为10-20J/cm²，脉宽为120-150ms，对试样进行辐照处理30-40次，实现热障涂层的陶瓷层柱状晶封顶；

第四步、关机，打开真空室，取出电子束辐照处理后的样品，准备进一步检测分析，检测封顶和耐氧化性能提高的效果。