[发明专利]激光冲击调控热障涂层过渡层界面结构的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，涉及航空发动机叶片热障涂层的制备工艺。具体指激光冲击调控热障涂层过渡层界面结构的表面处理方法。

背景技术

高压涡轮叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机发展的短板。目前，高温合金是高压涡轮叶片采用的主要结构材料，其中，单晶合金的承温能力最高，它能承受的最高温度为1150℃左右，已接近高温合金的承温极限。但是，就涡轮叶片的工况而言，即使采用先进的气膜冷却技术，到达叶片表面的燃气温度仍高于叶片合金的承温极限。针对该问题，国际上公认热障涂层是显著提高发动机服役温度最切实可行的办法。

热障涂层的失效行为非常复杂，许多因素都对涂层寿命产生影响，涂层的裂纹大小与分布；气孔的大小、形状及分布；粘结层的抗氧化性，陶瓷层的相稳定性；热循环过程中应力的大小；各层性能的相容性；各层界面的结合特性等等。但从目前所有研究的报道来看，涂层失效的宏观结果，主要表现热障涂层经过高温循环热作用后粘结层与基体、粘结层与陶瓷层的脱落与剥落上。

激光冲击强化技术是指利用高能量、短脉冲(ns级)激光辐照材料产生等离子体爆炸冲击波诱发金属表层产生微观组织结构变化(位错、空穴、相变和晶粒细化等)及残余压应力，以提高材料综合机械性能的一种新技术。有激光冲击在材料内部可诱导产生高达10⁷s^-1的应变率。与其它类似诱发组织变化的技术相比，其应变率高出3至9个数量级，材料组织结构转变的机理等条件都将发生变化。激光冲击处理技术在航空航天制造领域已经获得了工业应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提高热障涂层粘结层与陶瓷层的结合力，调节热障涂层界面的热应力，抑制界面TGO生长速度以及连片的TGO形成，从而提高热障涂层的使用寿命。

实施本发明的装置包括等离子喷涂设备和Nd:YAG激光器及其控制系统，实施不同的后续处理分别采用不同的设备。

本发明技术方案是利用激光冲击对热障涂层粘结层进行表面处理，获得特殊表面形貌，调整涂层内部缺陷(如涂层应力释放、气孔微缩、颗粒细化、界面结构调整等)，实现对粘结层微结构的最佳调控。

1、粘结层制备工艺：

(1)用180目砂纸预磨试样表面；

(2)喷涂前采用高压气体对基体进行喷砂处理；

(3)喷涂的工艺参数如下表1.

表1等离子喷涂粘结层工艺参数

2、激光冲击粘结层表面预处理步骤：

(1)将待处理粘结层表面用砂纸初步打磨；

(2)吸光层材料为铝箔，冲击约束层材料为水；

(3)将待处理试样装夹在工作台上，打开Nd:YAG激光器，按照预设程序进行表面冲击预处理；

(4)其具体工艺参数如下：

工作波长为1064nm；

光斑尺寸为1-4mm；

脉冲宽度为10-30ns；

脉冲能量为10-40J。

所述在粘结层表面进行激光冲击预处理，是采用单一圆形光班，单次或多次激光冲击处理粘结层材料表面形成凹坑，构造出粘结层表层的特殊几何形貌。

所述的利用激光冲击获得热障涂层粘结层与陶瓷层界面之间的凹坑结构如图4所示。

3、陶瓷层制备工艺

直接在激光冲击的粘结层表面进行热喷涂，具体工艺参数如表2所示：

表2等离子喷涂陶瓷层工艺参数

本发明的优点：

1、采用单一圆形光班，通过单次(或多次)激光冲击处理粘结层材料表面形成凹坑，构造出粘结层表层的特殊几何形貌，以此来提高等离子喷涂陶瓷层与粘结层之间的结合强度。

2、在表面形成预制残余应力，有利于高温循环氧化过程中，调节热障涂层内的热应力。

3、粘结层组织的调整以及特殊几何形貌的形成，可以有效抑制TGO生长速度以及连片TGO的形成，降低TGO对粘结层与陶瓷层结合力的损害。

附图说明

图1(A)和(B)为实施示例中不同局域激光冲击强化方案的表面示意图。

图2为局域激光冲击强化后粘结层剖面图。

图3为局域激光冲击强化后残余应力示意图。

图4热障涂层粘结层与陶瓷层界面之间的凹坑结构。

其中，1为粘结层，2为冲击区，3为强化区凹坑，4为高温合金，5为冲击压应力区。

具体实施方式