专利名称：一种新型复合结构涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及涡轮发动机技术领域，尤其涉及一种新型复合结构涂层及其制备方法。
背景技术：
目前，在高性能涡轮发动机(如航空、电厂、船舶)的研制中，提高发动机的进口温度和压力是其永恒的追求。发动机涡轮是提高发动机进口温度和压力的关键构件之一，其材料性能和力学性能必须满足耐高温、高压燃气冲蚀苛刻环境的要求。涡轮发动机设计温度和压力的提高，这仅仅依靠冷却系统和研制新材料已不能满足对发动机的迫切需求，使用涂层防护技术是这一领域研究的热点，涂层防护可以满足热障和封严及高温抗氧化、耐冲蚀的矛盾，保证发动机的安全可靠运行。随着发动机进气温度和压力的不断提高，涡轮需要在更高的温度和压力下工作， 要求涡轮上的涂层能够长期在高温(如1150°C以上)环境下使用，并使基体温度保持在使用温度范围内，同时具有良好的动密封性能。在现有技术方案中，常用的多孔氧化锆陶瓷材料可以满足涂层在高温隔热、封严的作用，但多孔结构容易受到高压气流的冲蚀，易使氧化气氛穿过孔洞到达粘结层，从而造成粘结层的氧化失效。现有技术中缺乏抗高温、抗氧化、 抗热冲蚀性能及具有良好动密封性能的特种热障封严涂层，制约了发动机涡轮的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型复合结构涂层及其制备方法，该制备的特种涂层能够使涡轮发动机的油耗减少，发动机的效率提高；同时使涡轮叶片使用寿命提高，抗热循环性能明显提高，提高设备的整体性能。本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种新型复合结构涂层，所述涂层采用三层结构的复合涂层，其中在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备粘结层；在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆^O2陶瓷层；在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝Al2O3表面层。一种新型复合结构涂层的制备方法，所述制备方法包括步骤(1)在涡轮合金基体表面进行除油、除锈、喷砂或喷丸法的预处理；(2)在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层，所述的粘结底层为MCrAlY层，其中M 为钴Co、镍Ni或钴Co、镍Ni合金；Cr为铬；Al为铝；Y为钇；(3)在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层，所述陶瓷层的质量成分比为，氧化钇 Y2O3 :6-8wt%，氧化锆 ZiO2 :92-94wt% ；(4)在所述陶瓷层的表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将该薄膜铝层氧化制备得到致密的氧化铝Al2O3表面层。
所述合金基体包括铁基合金、钴基高温合金、镍基高温合金或含质量比例不同的钴镍高温合金。所述在预处理后的合金表面上喷涂制备粘结底层，具体包括采用亚音速火焰，超音速火焰，爆炸喷涂，超音速等离子喷涂，超音速电弧喷涂或高速电弧喷涂的方式在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层。所述在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层，具体包括采用超音速等离子喷涂，大气等离子喷喷涂或低压离子喷涂的方式在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层。所述气相沉积技术包括物理气相沉积技术PVD和化学气相沉积技术CVD，其中PVD 包括磁控溅射方法和多弧离子镀。所述的薄膜铝层氧化成致密氧化铝(Al2O3)的温度在180°C至330°C之间，氧气压力在0. 80-3MPa之间。所制备的致密表面层厚度为4-6 μ m ；陶瓷层厚度为700-900 μ m ；粘结底层厚度 150-250 μ mo由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述复合涂层采用三层结构的复合涂层，其中在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备粘结层；在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆^O2陶瓷层；在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝Al2O3表面层。本发明的特点在于直接沉积高纯金属铝靶，通过缓慢氧化反应可促进铝与YPZ界面反应，促进界面扩散，形成界面扩散层，从而使膜附着力提高；而且采用PVD沉积金属铝靶的温度较低，可以大大提高工业化生产效率。同时，该技术制备的复合涂层具有抗高温、 抗氧化、抗热冲蚀性能及具有良好动密封性能；同时使叶片使用寿命提高，抗热循环性能和设备的整体性能明显得到提高。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本发明实施例所提供的新型复合结构涂层的结构示意图；图2为本发明实施例所提供新型复合结构涂层制备方法的流程示意图。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的新型复合结构涂层的结构示意图，图1中该特种涂层采用三层结构的复合涂层，这三层结构分别是第一层在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备MCrAlY粘结层；第二层在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆(ZrO2)陶瓷层；第三层在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝(Al2O3)表面层。本发明实施例还提供了一种新型复合结构涂层的制备方法，如图2所示为本发明实施例所提供新型复合结构涂层制备方法的流程示意图，图2中包括步骤21 在涡轮合金基体表面进行除油、除锈、喷砂或喷丸法的预处理。在该步骤中，所述合金基体包括铁基合金、钴基高温合金、镍基高温合金或含质量比例不同的钴镍高温合金(其中，Ni :30-74. 5wt%, Co :25-66. 5wt% ) 步骤22 在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层。在该步骤中，所述的粘结底层(即MCrAlY层)中，M为钴Co、镍Ni或钴Co、镍Ni 合金；Cr为铬；Al为铝；Y为钇。喷涂方式具体为采用亚音速火焰，超音速火焰，爆炸喷涂，超音速等离子喷涂，超音速电弧喷涂或高速电弧喷涂的方式在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层。步骤23 在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层。在该步骤中，所述陶瓷层的质量成分为，氧化钇(Y2O3) :6-8wt%，氧化锆(&02) 92-94wt% ；其中，上述粘结底层和陶瓷层组成热障涂层。喷涂制备方式具体为采用超音速等离子喷涂，大气等离子喷喷涂或低压离子喷涂的方式在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层。步骤M 在所述陶瓷层的表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，并氧化制备得到Al2O3致密表面层，温度为180°C，氧气压力为0. 80MPa。在该步骤中，所述气相沉积技术包括物理气相沉积技术PVD和化学气相沉积技术 CVD，其中PVD包括磁控溅射方法和多弧离子镀等。通过上述制备方法制得的特种涂层的厚度分别为致密表面层厚度为4-6 μ m ；陶瓷层厚度为700-900 μ m ；粘结底层厚度150-250 μ m。下面以具体的实施过程来对上述制备方法进行说明具体实施方案一本实施方案中，首先在钴高温合金基体表面采用除油、除锈喷丸方法法进行预处理；其次在预处理表面上采用超音速火焰喷涂制备MCrAlY粘结底层，厚度为160 μ m ；然后在MCrAlY粘结底层表面上采用低压等离子喷涂制备氧化锆陶瓷层，厚度为800 μ m ；最后在氧化锆陶瓷层表面上采用化学气相沉积技术制备薄膜铝层，并氧化制备得到Al2O3致密表面层，氧化温度为200°C，氧气压力为l.OMPa，厚度为5μπι。具体实施方案二 本实施方案中，首先在钴、镍高温合金基体表面采用除油、除锈喷丸方法法进行预处理，其中，Ni :50wt%, Co :50wt% ；其次在预处理表面上采用爆炸喷涂制备NiCoCrAlY粘结底层，厚度为250 μ m ；然后在MCrAlY粘结底层表面上采用超音速等离子喷涂制备氧化锆陶瓷层，厚度为700 μ m ；最后在氧化锆陶瓷层表面上采用化学气相沉积技术制备薄膜铝层，并氧化制备得到Al2O3致密表面层，氧化温度为220°C，氧气压力为1. OMPa，厚度为4 μ m。
具体实施方案三本实施方案中，首先在镍高温合金基体表面采用除油、除锈、喷砂方法进行预处理；其次在预处理表面上采用亚音速火焰喷涂制备CoCrAlY粘结底层，厚度为200 μ m ；然后在CoCrAlY粘结底层表面上采用等离子喷涂制备氧化锆陶瓷层，厚度为750 μ m ；最后在氧化锆陶瓷层表面上采用物理气相沉积技术(多弧离子镀)制备薄膜铝层，并氧化制备得到 Al2O3致密表面层，氧化温度为230°C，氧气压力为1. 2MPa，厚度为7μπι。具体实施方案四本实施方案中，首先在钴高温合金基体表面采用除油、除锈喷丸方法法进行预处理；其次在预处理表面上采用亚音速火焰喷涂制备NiCrAlY粘结底层，厚度为170 μ m ；然后在MCrAlY粘结底层表面上采用等离子喷涂制备氧化锆陶瓷层，厚度为800 μ m ；最后在氧化锆陶瓷层表面上采用化学气相沉积技术(磁控溅射)制备薄膜铝层，并氧化制备得到 Al2O3致密表面层，氧化温度为190°C，氧气压力为3. 2MPa，厚度为8μπι。具体实施方案五本实施方案中，首先在镍高温合金基体表面采用除油、除锈喷丸方法进行预处理； 其次在预处理表面上采用亚音速火焰喷涂制备CoCrAlY粘结底层，厚度为250 μ m ；然后在 NiCrAlY粘结底层表面上采用等离子喷涂制备氧化锆陶瓷层，厚度为800 μ m ；最后在氧化锆陶瓷层表面上采用化学气相沉积技术制备薄膜铝层，并氧化制备得到Al2O3致密表面层， 氧化温度为230°C，氧气压力为3. OMPa，厚度为6. 5 μ m。具体实施方案六本实施方案中，首先在钴高温合金基体表面采用除油、除锈喷丸方法进行预处理； 其次在预处理表面上采用亚音速火焰喷涂制备MCrAlY粘结底层，厚度为200 μ m ；然后在 NiCrAlY粘结底层表面上采用低压等离子喷涂制备氧化锆陶瓷层，厚度为750 μ m ；最后在氧化锆陶瓷层表面上采用化学气相沉积技术制备薄膜铝层，并氧化制备得到Al2O3致密表面层，氧化温度为230°C，氧气压力为2. 5MPa，厚度为5. 5 μ m。综上所述，采用上述方法制备得到的新型复合结构涂层能够使涡轮发动机的油耗减少，发动机的效率提高；同时使叶片使用寿命提高，抗热循环性能明显提高，提高设备的整体性能。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种新型复合结构涂层，其特征在于，所述涂层采用三层结构的复合涂层，其中 在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备粘结层；在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆^O2陶瓷层； 在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝 Al2O3表面层。
2.一种新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤(1)在涡轮合金基体表面进行除油、除锈、喷砂或喷丸法的预处理；(2)在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层，所述的粘结底层为MCrAlY层，其中M为钴 Co、镍Ni或钴Co、镍Ni合金；Cr为铬；Al为铝；Y为钇；(3)在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层，所述陶瓷层的质量成分比为，氧化钇 Y2O3 :6-8wt%，氧化锆 ZiO2 :92-94wt% ；(4)在所述陶瓷层的表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将该薄膜铝层氧化制备得到致密的氧化铝Al2O3表面层。
3.如权利要求2所述的新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所述合金基体包括铁基合金、钴基高温合金、镍基高温合金或含质量比例不同的钴镍宫、〉日A全向inn 口巫。
4.如权利要求2所述的新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所述在预处理后的合金表面上喷涂制备粘结底层，具体包括采用亚音速火焰，超音速火焰，爆炸喷涂，超音速等离子喷涂，超音速电弧喷涂或高速电弧喷涂的方式在预处理后的表面上喷涂制备粘结底层。
5.如权利要求2所述的新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所述在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层，具体包括采用超音速等离子喷涂，大气等离子喷喷涂或低压离子喷涂的方式在该粘结底层的表面上喷涂制备陶瓷层。
6.如权利要求2所述的新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所述气相沉积技术包括物理气相沉积技术PVD和化学气相沉积技术CVD，其中PVD包括磁控溅射方法和多弧离子镀。
7.如权利要求2所述的新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所述的薄膜铝层氧化成致密氧化铝Al2O3的温度在180°C至330°C之间，氧气压力在0. 80-3MPa之间。
8.如权利要求2所述的新型复合结构涂层的制备方法，其特征在于，所制备的致密表面层厚度为4-6 μ m ；陶瓷层厚度为700-900 μ m ；粘结底层厚度150-250 μ m。
全文摘要
本发明实施例公开了一种新型复合结构涂层及其制备方法，所述涂层采用三层结构的复合涂层，其中在涡轮合金基体表面上采用高速火焰喷涂方法制备粘结层；在该粘结层表面上采用等离子喷涂制备多孔氧化锆ZrO2陶瓷层；在该陶瓷层表面上采用气相沉积技术制备薄膜铝层，然后将其氧化成致密的氧化铝Al2O3表面层。该方法制备的复合涂层能够使涡轮发动机的油耗减少，发动机的效率和抗热循环性能提高；同时使涡轮的使用寿命和设备的整体性能得到提高。
文档编号C23C4/06GK102534613SQ20111042798
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者任先京, 张乐, 沈婕, 章德铭, 袁建鹏, 高峰 申请人:北京矿冶研究总院