[发明专利]一种热障涂层激光表面改性方法

说明书

技术领域

本发明属于热障涂层制备与改性技术领域，具体是涉及一种具有桩钉结构特征的热障涂层激光表面改性方法。

背景技术

热障涂层是将耐高温、高隔热的材料涂覆在基体合金表面，以提高基体合金抗高温能力，降低其表面温度的一种热防护技术。热障涂层不仅在舰船、能源等领域有广阔的应用前景，同时更是发展下一代航空发动机必不可少的关键技术。随着航空发动机向高推重比发展，发动机的设计进口温度不断提高，单独使用高温结构材料已不能满足设计要求，采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空发动机工作温度切实可行的方法。

实际应用的典型航空热障涂层大都是双层结构，即分为表层的陶瓷层和中间的粘结层。其中，陶瓷层材料一般为7%-8%氧化钇部分稳定的氧化锆，通过大气等离子喷涂或者电子束物理气相沉积的方法制备，陶瓷层的热导率较低，主要起隔热作用。在陶瓷层和基体之间为粘结层，目前该层的通用材料为MCrAlY，其中M代表Ni、Co或者Ni与Co的混合物，粘结层通过低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂的方法制备，其功能是改善基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配性，防止基体被高温氧化腐蚀。

虽然目前热障涂层已广泛应用于发动机的热端部件，但是其早期剥落失效问题十分严重，热障涂层的使用寿命还需进一步提高。研究表明：涂层内部的组织缺陷，热载荷作用下涂层内部产生的较大内应力，涂层界面热生长氧化物的形成和生长以及热喷涂工艺固有的涂层结合力差等问题是影响热障涂层使用寿命的主要因素。尽管有关热障涂层的材料、结构与制备工艺方面研究很多，但是热障涂层早期剥落失效问题依然存在。近年来，在提高热障涂层性能和寿命方面，采用激光与热喷涂复合技术逐渐引起国内外专家的关注，并成为研究热点。但是，目前的热障涂层激光表面改性方法还存在着一些弊端：一方面，对热障涂层整体激光重熔可以提高涂层致密度和结合强度，但是也将产生粘结层与陶瓷层互扩散和稀释等问题；另一方面，对陶瓷层进行表层激光重熔可以降低裂纹率，防止陶瓷层被粘结层稀释，但是不可避免地在陶瓷层内引入新的界面，产生较大残余应力，且这种方法对提高陶瓷层与粘结层结合强度毫无意义。因此，热障涂层的激光改性技术迫切需要在方法学和结构设计思想方面取得创新与突破。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种具有桩钉结构特征的能显著提高热障涂层性能和使用寿命的热障涂层激光表面改性方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的热障涂层激光表面改性方法，其特点是包括如下步骤：

A、按常规工艺程序对基体的表面进行清洗和喷砂处理；

B、在基体的表面制备热喷涂态的热障涂层，该热障涂层包括陶瓷层和粘结层，制作时，是首先在基体的表面制作粘结层，再在粘结层的表面制作陶瓷层；

C、通过计算机和设计软件对热障涂层中即将制备的桩钉结构激光改性单元体的形状、尺寸、排布规律和分布密度进行设计；

D、按设计模型调节激光器的加工参数；

E、对热障涂层进行激光改性，使热障涂层中形成有按步骤C设定的桩钉结构激光改性单元体；

F、对激光改性后的热障涂层进行去应力退火处理。

其中，上述桩钉结构激光改性单元体为倒置球冠形单元体，该倒置球冠形单元体的裸露表面为圆形，该倒置球冠形单元体的圆形表面直径为0.5mm～2.5mm，该倒置球冠形单元体的高度为210μm～440μm。

上述热障涂层中的桩钉结构激光改性单元体设置成等间距平行排布或等间距交错排布，相邻两个桩钉结构激光改性单元体的边缘间距为1mm～4mm，且热障涂层中所有的桩钉结构激光改性单元体的表面总面积占热障涂层表面积的10％～60％。

上述激光器采用额定功率为500W～1000W的Nd:YAG固体脉冲激光器，该激光器的电流为100A～300A，脉宽值为3ms～10ms，频率值为1~10Hz。

上述步骤E中，对热障涂层进行激光改性是采用手动的方式控制激光输入脉冲数量，制备每一个桩钉结构激光改性单元体的激光输入脉冲数量为1～6个。

上述热障涂层的去应力退火处理是在真空热处理炉中进行，加热温度为600℃～700℃，保温时间为1h～2h，并随炉冷却。

上述陶瓷层采用大气等离子喷涂的方法制成，且陶瓷层的厚度为150μm～350μm。

上述粘结层采用低压等离子喷涂或超音速火焰喷涂的方法制成，且粘结层的厚度为50μm～100μm。