[发明专利]热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法

说明书

本发明提供了一种热端部件的热防护涂层制备装置及方法，其通过在基体表面沉积前躯体纤维的形式来形成热防护涂层。使用该装置、方法所制备的热防护涂层具有热防护性能好、寿命长等特点，且实现成本低。

技术领域

本发明主要涉及涂层制备领域，尤其涉及一种热端部件的热防护涂层的制备。

背景技术

随着涡轮前温度的升高，燃气轮机、航空发动机中热端部件(如涡轮叶片、燃烧室内外衬板等)的服役温度已超过了零件基体合金的服役温度，因而必须使用具有热防护能力的陶瓷涂层，以降低零件基体的表面温度，提高发动机寿命和可靠性，并降低冷却气体用量，从而降低耗油率。

目前，在制备热端部件的热防护涂层的诸多方法中，以大气等离子喷涂(AirPlasma Spray，APS)和电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical VaporDeposition，EB-PVD)最为常见。

大气等离子喷涂方法的基本过程是将原料通过等离子枪直接喷射到金属表面，涂层的典型结构如图1所示。大气等离子喷涂方法的优点是喷涂速度快、效率高，对零件尺寸没有限制，且涂层呈层状结构，层间孔隙率大，导热系数低，隔热性能好。但大气等离子喷涂方法存在如下缺点：对于形状复杂的零件，工艺实现比较困难；涂层为层状结构，涂层与基体合金之间以机械结合为主，涂层中含有大量的熔渣、夹杂物和微裂纹等缺陷，上述缺陷在高温时易导致涂层氧化、硫化、坑蚀和盐腐蚀，从而进一步降低涂层与基体合金的结合强度，进而引起涂层剥落甚至失效。因此大气等离子喷涂方法一般用于静止热端部件，如燃烧室内外衬板等。

电子束物理气相沉积方法是通过电子枪产生高能电子束将涂料熔化蒸发，而后涂料以原子、分子的形态覆盖到零件表面，涂层呈柱状结构，涂层的典型结构如图2所示。电子束物理气相沉积方法的优点是涂层与基体结合性能好，涂层寿命长(在相同工况下相对于等离子涂层其寿命要长5倍以上)，涂层表面光洁度高、耐磨性好，且可以处理形状复杂的零件。电子束物理气相沉积方法的主要缺点为：对于复杂结构的零件，存在阴影效应，难以保证涂层质量的均一性；涂层为柱状结构，热导率相对较高，隔热效果差；受限于预热处理的限制，难以处理尺寸较大的零件。此外，由于电子束物理气相沉积设备昂贵，涂层沉积效率较低，不适于制备较厚的热防护涂层，因此主要应用于对涂层热机械疲劳性能要求较高的热端部件，例如燃气涡轮机的涡轮转动叶片等。

为满足燃气轮机、航空发动机更高的设计需求，以及民用燃气涡轮机械长寿命、低成本的需要，需在上述两种成熟工艺之外寻求新的热防护涂层制备工艺，一方面在保证获得层状结构的基础上提高涂层与基体的结合强度以提高涂层的服役寿命，另一方面简化涂层的制造工艺、降低制造成本，实现高性能热防护涂层的低成本制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法，其所制备的热防护涂层具有热防护性能好、寿命长等特点，且实现成本低。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种热端部件的热防护涂层制备装置，包括多轴旋转平台、高压电源、前躯体溶液供应部件和注射器；所述多轴旋转平台，用于夹持所述热端部件的基体，并使所述基体转动和/或平动；所述高压电源的正极和负极分别连接所述多轴旋转平台和所述注射器，使所述多轴旋转平台夹持的所述基体与所述注射器之间形成千伏以上的高压；所述前躯体溶液供应部件，用于向所述注射器注入所述热防护涂层的前躯体溶液；以及所述注射器，设置于所述多轴旋转平台夹持的所述基体的上方，用于在所述高压的作用下向所述基体喷射所述前躯体溶液，以在所述基体表面沉积前躯体纤维。

在本发明的一实施例中，所述前躯体溶液供应部件包括溶液槽、连接管和泵；所述溶液槽用于容纳所述前躯体溶液；所述连接管的两端分别连接所述溶液槽和所述注射器；所述泵用于将所述连接管内的所述前躯体溶液注入到所述注射器。