[发明专利]一种热障涂层孔隙率的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮发动机及大型燃气轮机中热障涂层微观结构的控制方法。

背景技术

热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs)是一种应用在金属基体表面，起到降低基体温度以保证其在高温条件下正常使用的功能化涂层，这种涂层目前已在燃气涡轮发动机中的热端部件上得到广泛应用。其设计思想主要是利用陶瓷的高熔点、低热导率及金属材料的高韧性等优点来形成一个涂层体系(多层结构)来满足高温使用的要求。但是以“陶瓷涂层/合金过渡层(粘结层)/高温合金基体”构成的热障涂层系统由于本身在物理化学、力学性能方面的不匹配性，以及加工过程中工艺的复杂性和后续使用中苛刻的高温、腐蚀环境，使得热障涂层运行寿命和隔热效果仍然难以达到迅速发展的国防技术(如发展新一代超音速战机和大飞机所需要的高效率、高稳定性、大功率航空发动机及大型舰艇需要的重型燃气轮机)的需求。此外，在热障涂层的材料、设计、工艺等方面配套研究和生产层面对涂层微观结构和质量控制的一致性、稳定性需求方面还存在理论与实践的脱节问题，使得热障涂层的制备工艺、使用寿命，生产成本和批次稳定性等方面与国际先进水平还有很大差距，严重阻碍热障涂层在我国国防尖端领域的开发和应用。

对于等离子喷涂而言，由于所涉及到的工艺参数众多，所以在涂层沉积过程中难以保证涂层质量的稳定性，导致同一批次沉积的涂层在结构上往往存在很大的差异。目前，工程人员往往依靠对电流、电压或气体参数的调节来控制等离子体性质，并结合样本金相标准和理化性能检测进行对比试验来优化和控制涂层结构，这种间接方法不仅工作量大、周期长，而且往往需要重复多次试验，难以满足现代高性能涂层制备工艺和结构质量控制的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过控制等离子体射流中粒子飞行速度及温度来调控热障涂层微观组织结构的方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种热障涂层孔隙率的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)以球形氧化钇部分稳定的二氧化锆为原料，对七组试样进行不同工艺参数的等离子喷涂试验：弧电流：440-808A，弧电压：72-147V，主气流量：35-70SLPM，辅气流量：16.6-24.3SLPM，送粉量：35～40g·min^-1，喷涂距离：70～100mm，喷涂过程中，用测温测速系统Spray Watch2i对不同实施例的喷涂粒子进行在线测量，得到不同工艺参数下的粒子飞行速度及粒子表面温度；

(2)将不同工艺参数下的粒子飞行速度及粒子表面温度测量结果进行分组为高温高速、中温中速及低温低速三个范围，其中，高温高速区粒子速度>400m·s^-1，粒子表面温度>3200℃；中温中速区粒子速度200-240m·s^-1，粒子表面温度2900-3200℃；低温低速区粒子速度180-200m·s^-1，粒子表面温度2700-2900℃；

(3)对三个分组范围内喷涂试验所获试样涂层，进行扫描电子显微镜观察并通过图像灰度法测量涂层孔隙率；

(4)将不同实施例试样的孔隙率、粒子飞行速度、粒子表面温度绘制成三维关系图，其中，高温高速区，涂层孔隙率小于4％；中温中速区，涂层孔隙率4-7％；低温低速区，涂层孔隙率为8-10％。

(5)根据步骤(2)三个范围的粒子飞行速度、粒子表面温度划分；结合步骤(4)孔隙率、粒子飞行速度、粒子表面温度三维关系，调整工艺参数，最终实现对涂层孔隙率的控制。

按照上述方案，在喷涂过程中，基体背面通过压缩空气冷却，喷涂试样表面温度控制在150±20℃。

所述扫描电子显微镜图像放大倍数为500，分辨率为600dpi，对于每个试样，取20幅扫描照片来计算涂层平均孔隙率。

本发明的有益效果是，借助高速摄影及双波长辐射强度比值法用普通等离子喷涂及超音速等离子喷涂(两种喷涂方法的结合可以有效地拓展粒子飞行速度及表面温度的控制范围)中粒子飞行速度及表面温度进行实时检测，通过涂层孔隙率的大小与粒子飞行速度及表面温度的关系，调整喷涂工艺参数控制，从而可有效控制热障涂层的组织结构，使涂层孔隙率在1-10％范围内变化，满足不同的使用条件。对实现涂层质量一致性具有重要的应用价值，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。