[发明专利]一种热障涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面处理方法。

背景技术

热障涂层是将具有某种功能的异质材料，以薄膜或涂层的方式复合于高温部件表面，使其具有抗高温、耐腐蚀、耐磨损、高隔热等功能，在航空、航天、能源等领域应用广泛。在航空领域，具有抗高温氧化、隔热等功能的热障涂层是发展大型飞机发动机的核心关键技术；在能源领域，高温抗氧化、耐腐蚀等热障涂层是地面燃机长寿命、高效率的关键技术。

航空发动机是飞机的“心脏”，热障涂层技术是航空发动机的最核心技术之一，应用于发动机的高压涡轮叶片、燃烧室以及冷却流道等关键热端部件。航天工业对高温热障涂层有诸多需求如导弹鼻锥帽和固体火箭发动机等受气动加热最严峻的部位，通常需要采用耐烧蚀热障涂层。工业燃气轮机具有发电效率高、污染排放低、维护简单、运行费用低等优点，其应用越来越广泛。工业燃气轮机的热端部件使用寿命长（十万小时），工作环境恶劣，必须采用抗高温腐蚀、高温隔热的热障涂层。

热障涂层一般包括陶瓷层和合金粘结层(过渡层)。陶瓷层为多孔结构，一般采用稀土氧化物掺杂氧化锆或稀土锆酸盐等低热导、高熔点材料，粘结层一般采用MCrAlYTa(M=Ni，Co，Ni+Co或NiAl)等材料。陶瓷层主要用于抗高温、耐腐蚀、耐冲刷等，粘结层主要用于抗氧化保护基体以及作为过渡层降低陶瓷层与基体之间的热不匹配性。热障涂层的失效因素较为复杂，其中粘结层氧化、陶瓷层和粘结层腐蚀是热障涂层失效的两大主因。在高温下，氧能通过涂层孔隙或晶格空位透过陶瓷面层，与粘结层发生反应导致粘结层表面出现热生长层(thermally grown oxide, 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，最终导致陶瓷面层提前剥落失效。热障涂层腐蚀主要包括空气中尘埃沉积在陶瓷面层而导致的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(CMAS)腐蚀、海洋坏境下引发的NaCl腐蚀以及发动机燃烧过程中产生的NaSO₄腐蚀。CMAS属于低熔点物质，在服役中会产生玻璃相，在毛细管力作用下会往涂层内部渗透并同时溶解陶瓷层中的稀土元素而诱发相变，从而降低了陶瓷层的应变容限，使热障涂层提前失效。在服役中，NaCl、NaSO₄同样会在毛细管力的作用下通过涂层孔隙渗过陶瓷层与粘结层中的合金化合物发生反应，从而加剧了粘结层与陶瓷层间的热不匹配性导致热障涂层提前失效。

为了提高热障涂层的抗氧化、耐腐蚀性能，众多学者做了大量的工作，如挪威学者T.J.Nijdam等人(Combined pre-annealing and pre-oxidation treatment for the processing of thermal barrier coatings on NiCoCrAlY bond coatings [J], 《Surface &Coatings Technology》, 2006(201), p3894-3900)对粘结层在不同氧分压下预氧化，使粘结层表面形成一层致密的氧化铝，虽然该方法可以提高热障涂层的抗氧化性能，但它降低了热障涂层的结合强度，且涂层的耐腐蚀性能并未提高。

美国学者J.M.Drexler等人(Jet engine coatings for resisting volcanic ash damage,《Advanced Materials》, 2011(23), p2419-2423)通过在陶瓷涂层中加入Al和Ti粉末，虽然该方法可以提高热障的耐腐蚀性能，但热障涂层的抗氧化性能并未提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种提高热障涂层抗氧化、耐腐蚀的制备方法，步骤如下：

1）将合金或不锈钢依次用汽油和酒精进行超声清洗，再用刚玉于0.1~0.5MPa下喷砂处理；

2）采用超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、冷喷涂或电子束-物理气相沉积方法在合金或不锈钢表面制备厚度50~200μm的NiCoCrAlYTa或NiAl粘结层；

3）采用低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积或电子束-物理气相沉积方法在上述粘结层上制备厚度100~300μm的ZrO₂-7wt%Y₂O₃陶瓷层；

4）采用磁控溅射在上述陶瓷层上制备厚度5~30μm的铝膜层；

5）热处理带有铝膜层的热障涂层。