一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法。即利用激光直接沉积的3D打印技术在高温合金基体上制备网状结构粘结层，然后再用大气等离子喷涂法制备陶瓷面层。与其他制备方法相比，利用激光直接沉积成型技术的制造过程受控于计算机和精密机床，不受叶片曲面和形状的约束，可提高制造效率。利用计算机控制三维造型，可方便地在基体上沉积出不同形状、尺寸的网状结构粘结层。激光极细的光斑可实现形状和尺寸的精确控制。利用激光直接沉积成型技术可实现粘结层与基体的冶金结合，使得结合强度超过300MPa。有网状结构粘结层的热障涂层结合强度超过50MPa，从而有效抑制服役中的热障涂层内部裂纹的扩展，提高热障涂层的服役寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法
本专利技术属于航空、航天用热障涂层制备技术，特别是一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层由基体、金属粘结层和陶瓷面层这三层组成。其中，基体通常为航空发动机和各类燃气轮机热端部件，镍基高温合金具有优异的高温力学性能，是制造热端部件的主要材料；而金属粘结层具有抗高温氧化的性能，陶瓷材料具有优越的耐高温、抗腐蚀和低导热的性能，将这两层涂层依次制备于基体表面可提高热端部件的工作温度，增强热端部件的抗高温氧化和耐热冲击能力，延长热端部件的使用寿命。现有的热障涂层通常采用大气等离子喷涂技术(APS)、电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)来制备，但基体与涂层为机械结合，结合强度较低。另外，由于陶瓷面层与镍基合金固有的热物性的巨大差异，在制备和服役过程中容易因热应力作用导致开裂和剥落，失去对基体的保护功能。对此，一些研究提出在基体上制备网状结构粘结层，将陶瓷粉末熔融并喷入粘结层网内，最终形成的陶瓷面层被网状粘结层分隔开，从而陶瓷面层的应变容限得到提高，而热应力的作用降低。与传统结构的热障涂层相比，具有网状结构粘结层的热障涂层的制备方法有多种。专利1(GaryB.Merrill，JayA.Morrison.Hightemperatureerosionresistant，abradablethermalbarriercompositecoating.USPatent,6235370,2001)公开了一种将预制的金属蜂窝结构焊接在基体上形成网状结构粘结层，然后再将陶瓷粉末喷涂至粘结层的方法。专利2(Subramanian,R.Honeycombstructurethermalbarriercoating,UnitedStatesPatent,US006846574B2,2005)公开了一种采用光刻和电沉积联合制备方法，即在基体上先旋涂光刻胶，通过光刻方法光刻胶上形成与网状结构相反的三维结构，然后将MCrAlY和陶瓷材料依次用电沉积的方法沉积在结构内，去除光刻胶后得到网状结构粘结层，最后向粘结层内沉积陶瓷材料得到热障涂层。专利3(马彬，李垚.一种热障涂层及其制备方法.中国，200710144807.2，2008)公开了一种在镍基高温合金层外表面上先制备聚苯乙烯模板，用电沉积的方法在模板内制备镍材料的网状结构，然后去除聚苯乙烯模板，再向结构内喷涂上氧化钇稳定氧化锆溶胶，煅烧后得到网状结构粘结层，最后向粘结层内喷涂陶瓷粉末得到热障涂层的方法。上述网状结构制备方法存在以下缺陷：(1)不易在具有曲面的基体材料上进行制备；(2)一个模板只能用于制备一种结构和尺寸的粘结层；(3)网状结构粘结层的尺寸和结构难以精确控制；(4)网状结构粘结层与基体的结合强度低。上述缺陷造成至今为止，应用现有工艺方法难以进行高效、便捷及精确的制备，同时也无法保证结合强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热障涂层的制备方法，实现与基体具有高结合强度的网状结构粘结层的快速、精确制造，进而实现高结合强度热障涂层的制备，以抑制服役中的热障涂层产生裂纹，并且提高热障涂层的服役寿命。实现本专利技术目的的技术解决方案如下：一种具有网状结构粘结层的热障涂层，所述涂层包括合金基体、金属粘结层和陶瓷面层；其制备方法如下：(1)对高温合金基体进行除锈、表面粗化及除油处理，然后置于无氧环境中备用；(2)对金属粉末进行干燥处理；(3)将高温合金基体置于激光加工平台，将金属粉末加入送粉器；(4)将粘结层的网格形状导入激光加工系统，设定激光扫描路径；(5)根据粉末与基体的类型以及粘结层的网格尺寸调整激光3D打印参数，进行网状结构粘结层的制备；(6)对陶瓷粉末进行干燥处理；(7)在网状结构粘结层上进行预热和喷砂处理；(8)采用大气等离子喷涂法制备热障涂层，调整等离子喷涂工艺参数，进行热障涂层的喷涂。其中，步骤(5)中激光3D打印参数调整为：激光功率0.1～3kW，激光光斑半径0.1～2mm，激光扫描速度50～500mm/min，送粉率0.5～5g/min，保护气与载气均为Ar气，保护气流量为3～25l/min，载气气流量3～10l/min。步骤(8)中等离子喷涂工艺参数调整为：电流400～900A，电压为40～70V，主气和载气均为Ar气，主气流量40～60l/min，载气流量3～40l/min，辅助气体为He气，气体流量为40～60l/min，喷涂距离60～100mm，喷枪移动速度30～150mm/s。本专利技术采用激光直接沉积的3D打印技术在高温合金基体上制备具有网状结构粘结层的热障涂层。3D打印的激光直接制造技术就是通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接根据零件CAD模型一步完成高性能金属零部件的“近终成形”制造，同时实现了基体与粉末的冶金结合。这是一种与传统“去材”制造工艺截然不同的“材料制备/零件近终成形一体化”的先进“增材”制造技术，具有低成本、短周期、数字化的显著特点，不受零件形状和材料成分的限制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)激光直接沉积的3D打印技术制造粘结层的过程受控于计算机和精密机床，不受叶片曲面和形状的约束，可提高制造效率；(2)利用计算机三维造型，可方便地在基体上沉积出不同形状、尺寸的网状结构粘结层，整个过程易于实现自动化；(3)激光聚焦后获得极细的光斑可以实现对网状结构粘结层形状、尺寸的精确控制；(4)可实现粘结层与基体的冶金结合，相对于传统的等离子体喷涂粘结层的方法以及网状结构粘结层的制备方法，二者的结合强度得到提高；(5)相对于无网格结构粘结层的热障涂层，制备的有网状结构粘结层的热障涂层结合强度得到提高，从而可有效抑制服役中的热障涂层裂纹的产生，提高了热障涂层的服役寿命。附图说明图1是本专利技术激光直接沉积的3D打印技术在DZ4125高温合金基体上制备的网状结构粘结层宏观形貌图。图2是本专利技术在制备有网状结构粘结层基体上进一步制备的陶瓷面层的宏观形貌图。图3是本专利技术激光直接沉积的3D打印技术制备的粘结层的结合强度测量方法示意图。具体实施方式实施例1采用本专利技术的激光直接沉积的3D打印技术，在高温合金基体上制备具有高结合强度的网状结构粘结层。将DZ4125镍基单晶合金板切割成30mm×30mm×10mm尺寸，利用金相试样预磨机和600#水砂纸处理基体高温合金基体表面，对基体进行除锈和表面粗化处理。将高温合金基体置于超声波清洗机中，加入适量无水乙醇或丙酮溶液，清洗5-10分钟，对基体做除油处理。将NiCrAlY粉末置于器皿中，再放入真空干燥箱中，在100℃下干燥4小时。将高温合金基体置于CRS-QSF200激光加工平台，将金属粉末加入DPSF-3型单筒送粉器，采用同轴送粉的激光3D打印技术进行网状结构粘结层的制备。设定激光扫描路径为(a)矩形结构，边长为8mm；(b)矩形结构，边长为5mm；(c)三角形结构，边长为10mm；(d)三角形结构，边长为6.5mm；(e)六边形结构，边长为5mm；(f)六边形结构，边长为3.5mm。设定激光功率为200W，激光光斑半径为0.5mm，激光扫描速度为200mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于所述涂层包括合金基体、金属粘结层和陶瓷面层；其制备方法如下：(1)对高温合金基体进行除锈、表面粗化及除油处理，然后置于无氧环境中备用；(2)对金属粉末进行干燥处理；(3)将高温合金基体置于激光加工平台，将金属粉末加入送粉器；(4)将粘结层的网格形状导入激光加工系统，设定激光扫描路径；(5)根据粉末与基体的类型以及粘结层的网格尺寸调整激光3D打印参数，进行网状结构粘结层的制备；(6)对陶瓷粉末进行干燥处理；(7)对于具有网状结构粘结层的基体进行预热，并对其表面做喷砂处理；(8)采用大气等离子喷涂法制备热障涂层，调整等离子喷涂工艺参数，进行热障涂层的喷涂。

【技术特征摘要】
1.一种具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于所述涂层包括合金基体、金属粘结层和陶瓷面层；其制备方法如下：(1)对合金基体进行除锈、表面粗化及除油处理，然后置于无氧环境中备用；(2)对金属粉末进行干燥处理；(3)将合金基体置于激光加工平台，将金属粉末加入送粉器；(4)将粘结层的网格形状导入激光加工系统，设定激光扫描路径；(5)根据粉末与基体的类型以及粘结层的网格尺寸调整激光3D打印参数，进行网状结构粘结层的制备；(6)对陶瓷粉末进行干燥处理；(7)对于具有网状结构粘结层的基体进行预热，并对其表面做喷砂处理；(8)采用大气等离子喷涂法制备热障涂层，调整等离子喷涂工艺参数，进行热障涂层的喷涂。2.根据权利要求1所述的具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于步骤(5)中激光3D打印参数调整为：激光功率0.1～3KW，激光光斑半径0.1～2mm，激光扫描速度50～500mm/min，送粉率0.5～5g/min，保护气与载气均为Ar气，保护气流量为3～25L/min，载气气流量3～10L/min。3.根据权利要求1所述的具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于步骤(8)中等离子喷涂工艺参数调整为：电流400～900A，电压为40～70V，主气和载气均为Ar气，主气流量40～60L/min，载气流量3～40L/min，辅助气体为He气，气体流量为40～60L/min，喷涂距离60～100mm，喷枪移动速度30～150mm/s。4.一种具有网...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦渊，杨森，王帅，吴海涛，吴泉圣，周逸源，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32