一种大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法

摘要

一种大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法，在等离子喷涂方法喷涂的陶瓷层热障涂层的表面，利用激光诱导陶瓷层内部产生垂直于基体的一定数量，规则分布的表面裂纹，具体方法为：通过和激光束发射器连接的控制器控制激光束发射器沿预定轨迹扫描陶瓷层表面，同时控制器也和放置单陶瓷层热障涂层的底座相连接，控制器在控制激光束发射器沿预定轨迹扫描陶瓷层表面的同时也控制底座沿与激光束发射器移动方向垂直的方向移动；本发明方法能够使喷涂后的大气等离子喷涂热障涂层在陶瓷层中进一步诱导生成一定数量，规则分布的表面裂纹，从而在制备后期改进大气等离子喷涂热障涂层的力学性能，大幅度提高其寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及热障涂层的增韧方法，特别涉及一种大气等离子喷涂热障 涂层表面的新型激光处理方法。

背景技术

自20世纪中叶燃气轮机为现代航空业的发展奠定了基础以来，燃气轮 机在军事、航天、能源动力、制造业等领域得到了进一步的推广和应用。 目前新型军用燃气涡轮发动机的燃气温度已高达1500°C左右，而用于现役 发动机叶片的高熔点镍基超合金的使用温度仅在850°C～1100°C左右,定 向凝固合金和单晶合金也只能在约1000°C温度下工作，无法满足现代新型 发动机工作温度的需要。与此同时，随着航空工业的发展，新一代大型燃 气轮机需要更高的推重比、燃气效率及涡轮进口温度。因此，快速、有效 地提高涡轮叶片的耐高温能力就成为当务之急。热障涂层(Thermal barrier coating,简称TBC)做为一种热防护技术近年来发展迅猛，热障涂 层通常是指沉积在高温合金表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，其主要 作用是热障，并避免基体的高温氧化、腐蚀、磨损等，它能将传至金属基 体的温度降低50-150℃左右，从而提升高温热端部件的耐高温能力。它能 够提高燃机工作温度和抗腐蚀能力、降低冷却要求、增加燃机功率以及提 高燃烧效率，因此被广泛的应用于航空、航天，造船、汽车等方面。

热障涂层系统是一个极其复杂的固体系统。一般包含四部分：高温合 金基体、粘结层、热生长氧化层（TGO）和陶瓷层。限制TBC应用的主要 原因是涂层界面脱粘。涂层界面脱粘主要由于金属基体热膨胀率大于陶瓷 层，由于热失配应力导致陶瓷层面内具有很高的应变能，应变能驱动界面 裂纹形成。

制备工艺主要有电子束物理气相沉积（EB-PVD）、大气等离子喷涂 （APS）等技术。电子束物理气相沉积工艺成本较高，但是所制备的热障涂 层结构均匀，微结构具有多尺度空洞柱状晶特征，与基体的结合强度高， 服役寿命长，主要被应用于航空发动机热障涂层制备。大气等离子喷涂成 本较低廉，微结构具有币状多层重叠式特点，热障效果较好，主要应用于 民用重型燃气轮机热障涂层制备。由于热障涂层各组分材料属性和几何形 状存在较大差异，特别是各组分间热膨胀系数存在很大差异，在温度剧烈 变化时，常常由于热失配应力而失效。同时由于陶瓷层为疏松的多孔材料， 因此氧原子容易通过陶瓷层扩散到粘结层，导致粘结层与陶瓷层界面受到 氧化，形成热生长氧化层。热生长氧化层的高温快速生长会在界面诱导出 相当大的热生长应力从而造成陶瓷层与粘结层界面损伤失效。

电子束物理气相沉积热障涂层长寿命的原因主要是陶瓷层柱状晶结构 均匀，柱状晶之间晶界结合弱，相当于存在大量垂直裂纹，极大地缓和热 失配应变，降低了热应力强度，因而具有长寿命的优点。大气等离子喷涂 热障涂层微结构主要为平行于基体的片状结构，在平行于热障涂层表面方 向上的结合强度较高，缓和热应力的能力较弱。因而降低大气等离子喷涂 热障涂层中的热失配应力和热生长应力是提高大气等离子喷涂寿命的关键 因素之一。目前主要用以提高大气等离子喷涂热障涂层寿命的技术是制备 具有一定数量并且规则分布的垂直裂纹的大气等离子喷涂热障涂层，由于 垂直裂纹的存在使得陶瓷涂层具有高应变韧性特点，增加了陶瓷层缓和热 失配的能力，降低了陶瓷层中的热应力，同时由于垂直裂纹在陶瓷层表面 规则分布，因此可以有效释放面内的应变能，使之具有高效热障与长寿命 特征。

目前所广泛采用的大气等离子喷涂技术由于无法精确控制陶瓷层中垂 直裂纹的生成和扩展，因此喷涂后的大气等离子喷涂热障涂层表面陶瓷层 中多为不均匀，杂乱形成的垂直裂纹，并且裂纹数量也达不到降低陶瓷层 热应力的需求。申请号为201210435928.3的发明专利“一种高隔热抗烧结 热障涂层的增韧方法”提出了在双陶瓷层热障涂层表面采用激光扫描，生 成垂直于基体的裂纹或损伤，由于其双陶瓷层热障涂层系统中两种陶瓷的 界面结合性能较差，因此要求生成较短的表面裂纹且这种裂纹应该只存在 于表面陶瓷层中，从而保证两层陶瓷的界面完整。但是这样就降低了表面 裂纹的增韧效果，且该方法生成裂纹或损伤无法进行控制。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大气 等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法，能够使喷涂后的大气等离 子喷涂热障涂层在陶瓷层中进一步诱导生成一定数量，规则分布的表面裂 纹，从而在制备后期改进大气等离子喷涂热障涂层的力学性能，大幅度提 高其寿命。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法，在等离子喷 涂方法喷涂的陶瓷层热障涂层的表面，利用激光诱导陶瓷层内部产生垂直 于基体的一定数量，规则分布的表面裂纹，具体方法为：通过和激光束发 射器1连接的控制器2控制激光束发射器1沿预定轨迹扫描陶瓷层表面， 同时控制器2也和放置单陶瓷层热障涂层的底座3相连接，控制器2在控 制激光束发射器1沿预定轨迹扫描陶瓷层表面的同时也控制底座3沿与激 光束发射器移动方向垂直的方向移动。

所述激光束发射器1发射的激光束的宽度为150μm，激光束功率W/扫 描速度m/s为15.18≤p/v≤23.04，激光束发射器1的扫描间距为陶瓷层厚度 的10到20倍。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明提出的大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法通 过控制器控制激光束发射器的加热诱导作用使得表面裂纹的形成能够控 制，同时控制器也控制放置单陶瓷层热障涂层的底座沿与激光束发射器移 动方向垂直的方向移动，从而能够在表面陶瓷层形成足够多的更深的规则 分布的表面垂直裂纹，达到缓和热失配应力和热生长应力的作用，使得热 障涂层的寿命得到大幅度提高，或形成网状分布的表面裂纹，这样可以防 止陶瓷层块状脱粘。同时，由于裂纹生成的位置与间距都由人为控制，因 此经过本发明方法处理后，表面裂纹按照预定计划形成，不会集中在某一 区域，从而保证了热障涂层的强度，进而提高了热障涂层的寿命。

2、由于激光束发射器1发射的激光束的宽度为150μm，激光束功率W/ 扫描速度m/s为15.18≤p/v≤23.04，则激光束产生的热量仅能够诱导在照射 区域下方的垂直裂纹，而对陶瓷层和粘结层界面不产生有害影响，从而在 诱导裂纹生成的同时不对陶瓷层表面形成大规模破坏。

3、当激光束发射器1的扫描间距为陶瓷层厚度的10到20倍，即相邻 两道垂直裂纹的间距是陶瓷层厚度的10到20倍时对表面裂纹的抑制作用 最为明显。

附图说明

图1是本发明方法示意图。

图2是本发明方法实施效果示意图。

图3是本发明方法处理后的大气等离子喷涂热障涂层试件陶瓷层表面 的电子显微镜扫描图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

本发明一种大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法，首先 采用等离子喷涂方法喷涂如图2所示的热障涂层试件，从内到外依次为高 温合金基底、高温合金基底和陶瓷层的粘结层以及陶瓷层，然后如图1所 示，通过和激光束发射器1连接的控制器2控制激光束发射器1沿激光束 发射器导轨5扫描陶瓷层表面，如图1中v₁方向移动，同时控制器2也和 放置热障涂层试件4的底座3相连接，控制器2在控制激光束发射器1沿 预定轨迹扫描陶瓷层表面的同时也控制底座3沿底座导轨6（与激光束发射 器移动方向垂直的方向）移动，如图1中v₂方向移动。激光束发射器1发 射的激光束的宽度为150μm，激光束功率W/扫描速度m/s为 15.18≤p/v≤23.04，激光束发射器1的扫描间距为陶瓷层厚度的10到20倍。

如图2所示，激光束作用点附近脆性陶瓷层表面一部分半球形区域内 的陶瓷会急速升温膨胀，形成热膨胀区，由于加热过程时间极短加之表面 陶瓷材料热导率很低，因此热膨胀区下方陶瓷在此作用过程中几乎没有产 生体积变化，热膨胀区的陶瓷则会在其下方的陶瓷中产生拉应力。当拉应 力达到或超过表面陶瓷所能承受的最大值时，导致其下方区域萌生垂直裂 纹并在随后扩展，通过调节激光束发射器1发射的轨迹就可以使得生成的 垂直裂纹按照所需分布形成，形成类似电子束物理气相沉积所制热障涂层 的结构以提高陶瓷层的应变承受能力，缓解热应力，提高大气等离子喷涂 热障涂层的应变韧性，从而达到延长其使用寿命的目的。

图3为按照本发明所述的处理方法处理后的大气等离子喷涂热障涂层 试件陶瓷层表面的电子显微镜扫描图。从图中可以发现经过本发明处理后 热障涂层陶瓷层中生成了一系列表面垂直裂纹，这一实验结果可以很好地 证明本发明的可行性。在图3中扫略区内部可以明显观察到一系列的表面 裂纹，其生成原因在主要是激光加热导致热膨胀区下方萌生垂直裂纹并在 随后扩展，其原理如图2所示。另外发现激光扫略区形貌与周围陶瓷层有 所不同，这是因为激光加热后陶瓷层表面很薄的一层出现了熔融再凝固， 由于这一过程仅在陶瓷层表面很薄的一层发生，因此不会对其性能造成较 大影响。