GH586等离子喷涂与激光重熔制备热障涂层的组织及性能研究刘伟

摘要

热障涂层目前广泛应用于航空发动机涡轮转子叶片，随着目前航空发动机推进比日益增大，其发动机进口温度也将进一步提高。GH586是制造涡轮发动机转子叶片的材料之一，其正常最高使用温度为800℃，超过其使用温度将会导致材料氧化加剧，破坏其原始的机械性能。而发动机的实际进口温度有可能在1000℃以上，未来其进口温度将会更高。热障涂层由于具有良好的高温隔热性能及高温稳定性能，因而被广泛用于航空等高温领域。
　　制备的热障涂层由粘结层和陶瓷层组成的双层系统构成。陶瓷层由于优良的隔热性能可以降低高温合金基体表面的实际温度，而粘结层一方面承担着抗高温氧化的作用，减少基体的氧化，另外也使陶瓷层与基体之间不至于因为热膨胀系数差距过大而导致热应力过大进而引起涂层脱落，起到过渡作用。
　　本文以GH586镍基高温合金为基体作为研究对象，陶瓷层材料选用8％Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)，粘结层材料选用CoCrAlYTaSi。分别采用等离子喷涂技术以及等离子喷涂+激光重熔复合处理两种工艺，在其表面制备了热障涂层，研究了等离子喷涂及激光重熔前后涂层的结合力、高温抗氧化性和热震性能，并对单独的粘结层材料进行了抗氧化及热震性能研究。主要研究成果如下：
　　（1）对等离子喷涂粘结层制备工艺参数进行了优化。优化的工艺参数为功率30kw，距离100mm，主气流量60L/min，载气流量45L/min，送粉率2r/min，喷枪移动速度200mm/min。制备的粘结层厚度约为100μm，与基体的结合状况良好。在1100℃时达到完全抗氧化级别，氧化常数为2.62892。并最终在涂层表面生成一层致密的氧化膜。涂层在1100℃下的热震次数为115次，在氧化和热震过程中，在基体与粘结层之间均有TGO层产生，随着热震和氧化的进行，TGO层厚度增加并最终造成涂层失效。
　　（2）对激光重熔热障涂层CoCrAlYTaSi/YSZ的工艺参数进行了优化。在功率400W，扫描速度为700mm/min，光斑尺寸5×5mm，搭接量为1mm和离焦量285mm的条件下，对等离子喷涂制备的热障涂层进行了激光重熔处理。重熔处理后，涂层表面粗糙度有所降低，表面形成了网状裂纹结构。涂层组织更加致密，重结晶生成多边胞状晶体，重熔过程中ZrO2没有发生相变。经过激光重熔后的试样其涂层结合力得到了提高，与等离子喷涂工艺制备的热障涂层结合力相比，提高了31.43%。
　　（3）两种工艺制备的热障涂层在1000℃下热震过程中没有发生相变，喷涂态涂层热震次数最高达到71次，激光重熔后热震次数最高达到123次，重熔后涂层的抗热震性能得到了明显提高。造成涂层热震失效的原因均为陶瓷层与金属粘结层之间热膨胀系数的不匹配及TGO层的生长。
　　（4）喷涂态的热障涂层在1000℃下，在氧化过程中没有发生相变。经过激光重熔后的热障涂层，在氧化试验中，YSZ发生了t相向m相转变，但是转变量很少。经过激光重熔后，涂层系统的抗高温氧化性没有发生明显变化。