一种提高热障涂层粘结层耐氧化性能的处理方法技术

一种提高热障涂层粘结层耐氧化性能的处理方法，属于热障涂层粘结层表面处理与改性技术领域。在材料表面处理和改性中，强流脉冲电子束辐照等离子体喷涂方法制备的热障涂层粘结层（MCrAlY），降低表面粗糙度、减少涂层的孔隙和孔洞，从而提高其高温耐氧化性能，其采用的技术条件是：真空度为3.5×10-2Pa，电压为15kV，频率为1Hz，脉宽为50-200μs，能量密度为8J/cm2-18J/cm2，脉冲次数为10-20次。其优点是：强流脉冲电子束辐照处理后实现了等离子体喷涂方法制备热障涂层粘结层（MCrAlY）表面粗糙度降低、涂层的孔隙和孔洞减少，没有贯穿性微裂纹生成，从而有效提高其高温耐氧化性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，即强流脉冲电子束辐照实现等离子体喷涂方法制备热障涂层粘结层的表面重熔，涂层表面平整，疏松的孔隙消失，粗糙度降低，从而提高热障涂层粘结层的耐氧化性能，属于热障涂层粘结层表面处理与改性

技术介绍
随着航空航天技术的发展，发动机涡轮叶片等热端部件的使用温度越来越高，这就对制备叶片的高温合金的耐高温性能提出更高的要求，解决问题的方法之一就是在叶片表面制备具有高温抗氧化和隔热性能的热障涂层(TBCs)。热障涂层系统包括高温合金基体、陶瓷层、粘结层及陶瓷层与粘结层之间的热生长氧化层(TGO)。其中粘结层的作用是解决金属基体和陶瓷层的热膨胀不匹配问题，提高整个涂层的耐氧化性能。热障涂层的发展 有近30年的历史，热障涂层的制备工艺也是在不断的改进。从最初的大气压等离子体喷涂(APS)发展到低气压等离子体喷涂(LPPS)、还包括超音速火焰喷涂(HOVF)及激光熔覆、电子束物理气相沉积(EB-PVD)等多种方法。而等离子体喷涂的方法和低气压等离子体喷涂的方法是比较有前途和应用广泛的方法。大气压和低气压等离子体喷涂方法制备的热障涂层的粘结层呈层片状结构，有利于热障涂层隔热性能的提高，具有涂层制备过程快速、廉价等优点，有广泛的应用前景。但是等离子体喷涂技术制备涂层也有其不足之处一是等离子体喷涂方法制备的热障涂层粘结层的层片状结构、疏松、多孔，提高涂层隔热性能的同时容易导致涂层服役过程中的脱落。二是等离子体喷涂方法制备的粘结层的表面粗糙度比较大，使得粘结层与陶瓷层之间的界面凸凹不平，容易使得热生长氧化层的生长不均匀，从而导致涂层耐氧化性能降低。鉴于上述两个方面的技术问题考虑，本专利技术提供一种等离子体喷涂方法制备热障涂层粘结层的表面处理和改性方法，通过强流脉冲电子束辐照等离子体喷涂方法制备热障涂层的粘结层使其重熔，粘结层的表面平整、光滑，这样热生长氧化层均匀，形成致密的a -Al2O3，有效保护基体材料不被氧化，从而提高粘结层的抗氧化能力。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是克服现有等离子体喷涂方法制备热障涂层粘结层的两点不足，即所制备的热障涂层粘结层的层片状结构、疏松、多孔，容易导致涂层脱落；同时粗糙的表面使得热生长氧化层不均匀，降低涂层的耐氧化性能和使用寿命。提供一种新型的强流脉冲电子束辐照热障涂层粘结层表面处理和改性技术，提供适合等离子体喷涂制备热障涂层粘结层表面改性的强流脉冲电子束最佳辐照处理参数。本专利技术采用的技术方案是采用的具体步骤如下第一步、热障涂层粘结层(MCrAH)的制备高温合金基体(或发动机叶片等部件)经过预磨、抛光、清洗处理后，利用低气压等离子体喷涂的方法(LPPS)在高温合金基体沉积粘结层，粘结层的涂层材料为MCrAH ；第二步、将已喷涂好热障涂层粘结层(MCrAH)的试样固定在试样台上，抽真空将制备好的热障涂层粘结层试样固定在强流脉冲电子束装置的试样台上，关闭真空室并抽真空，使真空度达到3. 5X10_2Pa ；第三步、强流脉冲电子束辐照处理实现涂层表面平整、粗糙度降低、孔隙和孔洞消失 根据强流脉冲电子束设备的技术要求电压为15kV，频率为1Hz，室温下，选择强流脉冲电子束能量密度为8-18J/cm2，脉宽为50-200 μ S，对试样进行辐照处理10-20次，实现热障涂层粘结层表面平整、粗糙度降低、孔隙和孔洞消失；第四步、取出样品关机，打开真空室，取出电子束辐照处理后的样品，准备进一步检测分析，检测涂层表面状态和耐氧化性能提高的效果。上述技术方案的基本构成指导思想是强脉冲电子束与材料表面相互作用是一个快速加热和快速冷却的过程，加热速度高达IO9 K/s，可将材料表面一定深度瞬间加热到熔化，形成的极大温度梯度(10卜8 K/m)可使表面层借助向基体的热传导急剧冷却，冷却速度也达IO4 9 K/s，从而使得固体材料表面重熔，提高材料的表面性能。与激光束、脉冲离子束的作用相比，强脉冲电子束工艺具有对注入能量的高度监控性和调整性，有利于能量分布的高度局域性和高的有效作用系数。而且强流脉冲电子束辐照是纯能量的输运过程，克服了离子束辐照带来的离子杂质对材料的影响问题，由于电子的质量很小，因此比强流脉冲离子束的改性层深度大很多，同时也比激光束的能量利用率高很多。利用强流脉冲电子束的上述优点对等离子体喷涂方法制备的热障涂层粘结层进行辐照处理，调整电子束参数使得粘结层表面平滑、孔隙消失、粗糙度降低，从而提高陶瓷热障涂层粘结层的高温耐氧化性能。通过实验提供最佳的强流脉冲电子束辐照工艺条件。本专利技术的优点及创新之处为(I)强流脉冲电子束重熔热障涂层粘结层表面改善组织形貌及表面致密性，使得表面平整光滑、孔隙和空洞消失，有利于陶瓷层的生长，热生长氧化层均匀，从而提高涂层的高温服役性能。(2)由于强流脉冲电子束辐照粘结层重熔未产生贯穿性裂纹，不影响粘结层和基体的结合性能。(3)强流脉冲电子束辐照是纯能量的输运过程，克服了离子束辐照带来的离子杂质对材料的影响问题，由于电子的质量很小，因此比强流脉冲离子束的改性层深度大很多，同时也比激光束的能量利用率高很多。附图说明图I是强流脉冲电子束辐照处理前热障涂层粘结层表面形态。图2是强流脉冲电子束辐照处理后热障涂层粘结层表面形态。图3是未经电子束辐照处理的热障涂层粘结层900°C空气氧化后的截面形貌。图4是经过电子束辐照处理后的热障涂层粘结层900°C空气氧化后的截面形貌。图I表明等离子体喷涂方法制备的热障涂层粘结层表面的结构，表面粗糙度比较大，存在大量孔隙和空洞；图2显示强流脉冲电子束辐照处理后粘结层变得致密、平整光滑、空洞和孔隙消失；图3表明未经电子束辐照处理的等离子体喷涂方法制备粘结层氧化后的TGO层不均匀，且氧化已经深入到粘结层内部；图4表明经过电子束辐照处理后粘结层氧化后的TGO均匀，没有深入到粘结层内部。具体实施例方式实施例I : 结合具体的实验过程详细说明强流脉冲电子束辐照提高热障涂层粘结层高温耐氧化性能的实施方案，以相同脉宽、不同能量密度为例，具体步骤如下第一步，热障涂层粘结层(MCrAH)的制备高温合金基体(或发动机叶片等部件)经过预磨、抛光、清洗处理后，利用低气压等离子体喷涂的方法(LPPS)在高温合金基体沉积粘结层，粘结层的涂层材料为MCrAH ；第二步，将已喷涂好热障涂层粘结层的试样固定在试样台上，抽真空将等离子体喷涂方法制备好的热障涂层粘结层试样固定在强流脉冲电子束装置的试样台上，关闭真空室并抽真空，使真空度达到3. 5 X IO-2Pa0第三步，强流脉冲电子束辐照处理热障涂层粘结层根据设备的技术要求电压为15kV，频率为1Hz。室温下，选择强流脉冲电子束脉宽为 200 μ S，能量密度分别为 3，5，8，10, 12，13，14，15，16，18，20 J/cm2，对试样进行辐照处理35次，使得热障涂层粘结层重熔，表面平整光滑，粗糙度降低。第四步，取出样品关机，打开真空室，取出电子束辐照处理后的样品，准备进一步检测分析。辐照处理后热障涂层粘结层的结构和性能分析，确定最佳参数将经强流脉冲电子束辐照处理的样品与未经脉冲电子束处理的原始样品进行比较研究。用XRD测试处理前后涂层相结构的变化情况；用扫描电镜(SEM)观察样品处理前后表面和截面形貌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高热障涂层粘结层耐氧化性能的处理方法，其特征在于所述处理方法采用的具体步骤如下 第一步、热障涂层粘结层的制备 高温合金基体经过预磨、抛光、清洗处理后，利用低气压等离子体喷涂的方法在高温合金基体沉积粘结层，完成热障涂层粘结层的制备； 第二步、将已喷涂好热障涂层粘结层的试样固定在试样台上 抽真空将制备好的热障涂层粘结层试样固定在强流脉冲电子束装置的试样台上，关闭真空室并抽真空，使真空度达到3. 5 X 10 ； 第...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅显秀，刘越，马腾才，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：