激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展_张罡

2000年3月 沈阳工业学院学报 Vol.19No.1第19卷第1期　JO URN AL OF SHENY ANG IN STITU T E OF TECHNO LOGY M ar.2000文章编号:1003-1251(2000)01-0001-07

激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展

张　罡1,梁　勇2

(1.沈阳工业学院材料工程系,沈阳110015;2.中国科学院金属研究所)

摘　要:论述了激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展状况.激光制备陶

瓷热障涂层包括激光重熔和激光熔覆两种方法.激光重熔等离子喷涂热障

涂层可获得等离子喷涂涂层所不具备的外延生长致密的柱状晶组织,提高

涂层应变容限及热震性能.激光熔覆可获得自动分层的梯度热障涂层成分

及柱状晶组织,改善涂层的高温氧化及热震性能.通过激光工艺参数的优化

及涂层体系成分及性能的合理设计,可获得优于等离子喷涂,接近电子束物

理气相沉积的热障涂层性能.

关键词:热障涂层;激光重熔;激光熔覆;等离子喷涂

中图分类号:TN249;TQ174.75+8.16 文献标识码:A

随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展,燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高,如军用发动机涡轮前温度已达1800℃,预计燃烧室温度将达到2000～2200℃.这样高的温度已超过现有高温合金的熔点,因此必须采用相应措施.除了改进冷却技术外,在高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBCs)也是有效手段,它可达到170℃或更高的隔热效果,以满足高性能发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求[1～2].

热障涂层系统要求涂层不但有良好的隔热效果,而且抗高温氧化及热冲击.针对在腐蚀介质的特殊要求,还要满足高温耐蚀性能.实际应用的热障涂层制备方法主要是等离子喷涂(PS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)两种方法[3～4].

等离子喷涂方法主要包括空气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(V PS)、低压等离子喷涂(LPPS)等方法.沉积的陶瓷层需要相对粗糙的粘结层表面以得到良好的机械结合;应变容限靠陶瓷层中大量的气孔(气孔率可达20%)和微裂纹获得.抗氧化和热腐蚀性能由粘结层实现.

EB-PV D方法在光洁的粘结层表面和正确的涂层涂覆温度条件下,可获得完整、致密的陶瓷层柱状晶组织,陶瓷层与粘结层通过涂层制备时产生热增长氧化层(TGO)以化学键形式连

收稿日期:1999-11-25

基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(ZK0601).

作者简介:张罡,男,37岁,讲师,博士研究生.

接.其独特的优点是:涂层厚度均匀性高,涂层表面粗糙度低,具备高交变应力下的长寿命,涂层制备后叶片上的冷却孔保持张开的原状.

两种方法在成本与高温环境性能比上相互竞争,PS 方法具有经济、简单实用性,可获得相对略高的隔热效果,但应力容限和耐腐蚀性差;EB-PVD 方法可获得空气动力学特性和高温特性更好的涂层,但设备价格高,工艺复杂,效率降低.

为解决PS 涂层高气孔率和裂纹引起的抗氧化性和涂层寿命降低的问题,激光制备TBCs 方法在激光表面重熔和激光熔覆两个不同的领域获得广泛的应用研究[5～14].

激光重熔等离子喷涂热障涂层可获得等离子喷涂涂层所不具备的外延生长致密的柱状晶组织,改善结合强度,降低气孔率,提高涂层应变容限及热震性能.激光熔覆可获得自动分层的梯度热障涂层成分及柱状晶组织,改善涂层的高温氧化及热震性能.

通过激光加工工艺参数的优化,可获得优于等离子喷涂,接近电子束物理气相沉积的热障涂层性能,并且激光制备方法更为简单,适应高效、大面积制备高性能热障涂层的未来需要.1　热障涂层设计

1.1　涂层结构设计

热障涂层结构主要为双层结构、多层结构和梯度结构,三种结构如图1所示

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(a )双层结构 (b )多层结构

(c )梯度结构

图1　三种结构示意图双层结构是目前实际应用在燃烧室及叶片上的热障涂层.由涂覆在高温合金基材上的顶层(To p coa t)和粘结层(Bo nd coat)构成.顶层以ZrO 2陶瓷为基,起隔热作用;粘结层为Mcr AlY (M :Ni ,Co 或Ni -Co ),起增加陶瓷层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配容限和抗氧化性作用.

多层结构涂层抗氧化性较好,但热震性能改善不大,且工艺复杂,重复性、可靠性略差.梯度涂层化学成分、组织结构及力学性能是沿涂层厚度方向呈梯度连续变化.该结构提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度,具有理想涂层设计的高温性能,抗热震性能优于双层涂层,但制备技术复杂,仍处在设计实验研究阶段.

2沈阳工业学院学报 2000年

1.2　双层涂层成分设计

1.2.1　顶层ZrO 2基陶瓷层热导率低、热膨胀系数与基材相近、高温稳定性好、具备一定的高温耐蚀性和耐磨粒磨损性,已获得广泛应用[15～16].

纯净的ZrO 2有三种晶型:单斜晶(m )、四方晶(t)和立方晶(c),它们的相变温度分别为950～1250℃和2370℃,在2550～2600℃转变为液相.m 与t 型转变是可逆的,在冷却过程中,发生t 转变为m 相变的温度区间为600～950℃,相变时出现4%左右的体积膨胀,内部产生足够大的应力引起裂纹或断裂,必须加入立方晶相稳定剂,降低相变应力.

可采用的稳定剂CaO 、MgO 、CeO 2、Y 2O 3等,在稳定立方相中形成介稳定t -ZrO 2相的研究、探索一直在进行.近年来Y 2O 3、Nd 2O 3、Sc 2O 3等部分稳定剂(PSZ)的研究发现:在快速冷却条件下,ZrO 2陶瓷层中可获得部分或全部“非转变”的四方相t ′,尽管仍为介稳相,但可在1100～1200℃高温循环条件下不分解为平衡t 和c 相.

(6～8)%Y 2O 3-ZrO 2(YSZ )最为常用,在1100～1200℃下,t ′相不分解.CeO -Y 2O 3-ZrO 2中,t ′相的稳定性优于8%YSZ,但耐含V 、S 腐蚀介质燃气的抗腐蚀性较差.Sc 2O 3-Y 2O 3-ZrO 2(SYSZ)具有高温下(1400℃)更高的t ′相稳定性和抗热盐腐蚀能力.

1.2.2　粘结层

在双层结构中,基本以M Cr AlY 合金作为粘结层,一般在惰性气氛下,以PS 或EB-PV D 方法先于顶层制备[17～18]

.

采用渗铝工艺在粘结层表面制备富铝表层,降低粘结层氧化速率可提高TBCs 寿命.在CoNiCr AlY 中添加Re(rhenium )可以显著改善涂层抗氧化性能和力学特性.2　激光-等离子复合制备TBCs 方法

2.1　粘结层的激光处理

粘结层的激光处理指的是喷涂陶瓷层前对等离子喷涂粘结层的激光重熔(Laser rem elting 或Laser g lazing )和激光修整(Laser co ntour)等方法[19].

通过合理选择激光重熔工艺参数,激光重熔表面涂层可以调整涂层中Y 的分布和涂层的化学成分;形成细化重熔层组织,提高涂层的致密度、降低气孔率;提高涂层与基体的结合强度、达到冶金结合,从而改善涂层的抗氧化性能和耐蚀性能.

激光修整涂层表面,即用YAG 激光在LPPS 制备的Co CrNiAlY 涂层表面加工深度小于涂层厚度、均匀分布的微孔和坡口(Gro ov es),改变陶瓷层层状沉积形态和应力分布形式,在未改变粘结强度的前提下,提高了TBCs 的热循环性能.

2.2　陶瓷层的激光重熔处理

80年代以来,大量研究表明:激光重熔陶瓷层可获得重熔层致密的柱状晶组织和网状的微裂纹,提高应变容限;致密、均匀的重熔组织及低的气孔率可降低粘结层的氧化率,阻止腐蚀3

第1期 张　罡等:激光制备陶瓷热障涂层的研究和发展