[发明专利]一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法

说明书

一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法：将含有自愈合颗粒的混合粉末均匀铺在热障涂层试样上，将试样放在超声振动台上，利用1kW激光制造系统进行激光改性表面处理，获得自愈合热障涂层；本发明利用超声振动辅助激光合金化技术让自愈合颗粒掺杂于热障涂层，并使自愈合颗粒均匀分布在改性层中；在热障涂层热服役过程中，利用自愈合颗粒在高温情况下被氧化生成氧化物而产生体积膨胀从而填充裂纹，实现裂纹的自愈合效应，进而提升热障涂层的抗热震性能与热腐蚀性能；采用本发明得到的激光改性热障涂层，可明显提升高端装备关键热端部件在高温恶劣服役环境下的适应能力和服役寿命。

技术领域

本发明涉及一种激光表面处理方法，具体涉及一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法

背景技术

随着科学技术的发展，航空发动机具有极其广泛的应用，其燃烧系统中工作的零部件将承受更高温和更高应力，零部件会受到损伤，为了提高零部件的使用寿命，将热障涂层应用于发动机和燃气轮机的热端部件上。常用的热障涂层是由隔热的陶瓷顶层，抗氧化的粘接层，粘接层氧化而生成的热生长氧化物(Thermally grown oxides，TGO)和高温合金基体组成。陶瓷层大多是由大气等离子喷涂(Air Plasma Spraying，APS)或电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition，EB-PVD)喷涂7～8％YSZ粉末制备的，厚度为200～400μm，粘接层常用低压等离子喷涂、真空等离子喷涂或超音速火焰喷涂等技术喷涂MCrAlY(M可以是Ni、Co或二者混合物)粉末制备而得，厚度为50～150μm。但是由于热障涂层在制备过程中不可避免地产生裂纹与孔洞，导致其在高温情况下由于氧气的渗透而使粘接层氧化，从而TGO层增厚，累积的TGO应力促进水平裂纹的萌生及扩展，最终水平裂纹与垂直裂纹连接而导致涂层剥落失效。

自愈合是指材料在工作过程中一旦产生缺陷，在无外界作用的情况下材料本身具有自我恢复的能力。而自愈合方法是利用合适的材料设计与制备工艺使材料具有自愈合的性能，可以显著减少材料内部的裂纹，提高材料性能。本发明中的自愈合效应是利用自愈合颗粒在高温服役情况下发生氧化产生体积膨胀而填充涂层内部的裂纹，从而实现裂纹的自愈合效应。

采用激光合金化技术掺杂自愈合颗粒于热障涂层，可以有效提高热障涂层在高温服役下的抗氧化性能和抗热震性能，延长热障涂层的服役寿命。主要是利用高能量激光束将自愈合材料快速熔化、熔于陶瓷层表层，使得基体表层形成具有所要求的深度与化学成分的表面合金化层，并将自愈合颗粒均匀分布在合金化层中。热障涂层在热循环服役过程中，在热循环前期，激光改性热障涂层中的网状裂纹和未贯穿涂层的垂直裂纹有利于提高涂层的应变容限，延长涂层服役寿命；但是在热服役后期，由于TGO层过厚，导致水平裂纹的萌生及扩展，水平裂纹和垂直裂纹连接会导致涂层剥落，而自愈合颗粒在热服役过程中发生氧化反应生成氧化产物，产生体积膨胀而填充了裂纹，实现裂纹的自愈合，减缓了涂层的剥落。

目前，鲜有公开的文献对激光改性热障涂层进行描述。

发明内容

为了减少并消除大气等离子喷涂(APS)制备的热障涂层内部存在的裂纹与孔洞，设计一种超声振动辅助激光改性热障涂层裂纹自愈合方法，属于表面加工处理技术。本发明所描述的热障涂层包括陶瓷顶层、粘接层和高温合金基体。本发明通过超声振动辅助激光改性将自愈合颗粒熔于热障涂层中，在后续高温服役过程中，自愈合颗粒发生氧化反应，生成了氧化物产生体积膨胀从而填充裂纹，使热障涂层内部裂纹与孔洞减少乃至消失。

同时，由于激光改性热障涂层有未贯穿涂层的纵向裂纹，在热循环前期，热障涂层的垂直裂纹可以提高涂层应变容限，延长服役寿命。而在热服役后期，利用自愈合颗粒氧化产生体积膨胀而填充裂纹，实现裂纹的自愈合效应，可以阻碍氧气向粘接层渗透，避免热生长氧化物进一步增厚和尖晶石氧化物的生成，延缓涂层开裂剥落失效，同时也提高了涂层的抗热震性能。

本发明的技术方案如下：