一种高抗剥落失效的封严涂层的制备方法

摘要

本发明提供了一种高抗剥落失效的封严涂层的制备方法。该制备方法包括以下步骤：通过电子束毛化方法或激光束毛化方法对基体表面进行结构造型；结构造型的高度不低于涂层厚度的1/4；在带有结构造型的基体表面上进行封严涂层材料的热喷涂沉积，得到高抗剥落失效的封严涂层，热喷涂包括以下步骤：采用倾斜旋转喷涂方式进行喷涂，待涂层沉积厚度达到造型高度，即没过造型顶部后，再采用垂直喷涂方式进行涂层沉积。本发明提供的制备方法可提高涂层与基体间的接触面积、改变层状叠加结构、释放涂层应力、提升封严涂层的抗剥落能力，使涂层服役寿命得到延长的同时成分不会产生分解。

说明书

技术领域

本发明涉及一种封严涂层的制备方法，特别涉及一种高抗剥落失效的封严涂层的 制备方法，属于涂层制备技术领域。

背景技术

航空发动机涡轮外环叶尖间隙与叶片长度的比值每增加1％，涡轮效率损失随之 增加1-3％，热喷涂气路封严涂层是提高发动机效率和性能、降低油耗的重要途径之 一，是航空发动机关键的制造技术之一。

高压涡轮外环封严涂层的工作温度在1000℃以上，同时还要承受超音速燃气冲 刷及高速旋转的涡轮叶片的尖部刮削，以上工作条件要求高压涡轮外环封严涂层具有 优良的抗热震性能及抗氧化性能、足够的结合强度、优良的可磨耗性能及抗气流冲刷 性能，其性能的好坏直接影响发动机的功率、推力、效率和可靠性。

目前使用的高温封严涂层，由于热喷涂涂层本身固有的特点，涂层与基体界面结 合为机械结合，结合强度较低，决定了涂层在高温环境下工作容易因结合力弱、应力 集中等缺陷而发生开裂和剥落，导致可靠性降低，使用寿命缩短，严重影响发动机可 靠性及飞机安全。因此，目前迫切需要一种新型涂层的制备方法，能够制备出抗剥落、 长寿命的封严防护涂层。因此如何提高涂层的结合力，最终增强其抗剥落能力，从而 延长涂层服役寿命成为问题的关键。

在过去的研究中，为了提升涂层的抗剥落失效能力，对涂层进行喷涂后热处理是 一种有效的处理方法，可以提升涂层的结合力，从而提高涂层抗剥落能力，延长涂层 服役寿命。但是，在热处理过程中，涂层成分将会因为受热而发生部分甚至全部分解， 降低涂层的性能。

综上所述，提供一种提升涂层的抗剥落失效能力且不会降低涂层性能的制备方法 成为了本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种针对传统热喷涂封严涂层容易发 生掉块及剥落失效问题的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高抗剥落失效的封严涂层的制备方法，在 该制备方法中在涂层喷涂沉积前，利用电子束毛化方法或激光毛化方法对基体表面进 行结构造型加工，实现所需要的特定造型，之后在带有造型结构的基体上，采用倾斜 旋转喷涂法与垂直喷涂法相结合的方式对目标涂层进行喷涂沉积。该制备方法具体包 括以下步骤：

通过电子束毛化方法或激光束毛化方法对基体表面进行结构造型；其中，所述结 构造型的高度不低于涂层厚度的1/4；

在带有结构造型的基体表面上进行封严涂层材料的热喷涂沉积，得到高抗剥落失 效的封严涂层；

其中，所述热喷涂沉积包括以下步骤：

先采用倾斜旋转喷涂方式进行喷涂，待涂层沉积厚度达到造型高度，即没过造型 顶部后，再采用垂直喷涂方式进行涂层沉积。

根据本发明的具体实施方式，本发明采用的喷涂方式为等离子喷涂工艺。

根据本发明的具体实施方式，电子束毛化在真空条件下进行，激光毛化在非真空 条件下进行；

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，对基体表面进 行结构造型的频率为750-4500Hz。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，对基体表面进 行结构造型的时间为15-60s。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，对基体表面进 行结构造型的电流为2-10mA。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，对基体表面进 行结构造型的电压为90-150kV。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，倾斜旋转喷涂 方式中喷枪与基体之间的角度为大于45°且小于90°，具体角度本领域技术人员可以 根据具体情况确定。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，封严涂层材料 使用前在100℃-200℃下加热1h-4h；封严涂层材料选用本领域中常用的封严涂层材 料即可。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，热喷涂的电流 为450-550A；电压为60-75V。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，热喷涂的送粉 速度为40-80g/min。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，优选地，热喷涂中载气 的流速为4-7L/min。

根据本发明的具体实施方式，热喷涂的主气为35-45L/min，热喷涂的辅助气为 5.0-7.0L/min。

本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法，具体包括以下步骤：

首先，用无水乙醇或丙酮对基体进行清洗，清除基体表面的油污、锈迹或粉尘等 杂质；

然后，通过电子束毛化或激光束毛化工艺对清洗干净的基体表面进行结构造型， 造型结构尺度确定后由波形生成软件控制生成结构造型；

根据不同的喷涂材料和基体，综合目标涂层的服役环境条件，设计具体的毛化造 型结构、尺寸、密度与分布模式，因为不同的表面造型、尺寸以及密度分布等都会对 后续目标涂层的沉积铺展、涂层组织致密性、涂层与基体间以及层间结合强度等起到 决定性作用，造型结构参数根据以下条件确定：

第一，表面毛化造型的结构尺寸根据封严涂层材料的原料组成、涂层厚度、涂层 的服役环境等因素决定。在喷涂沉积过程中，依据不同的封严涂层材料、基体和不同 表面造型结构，选择不同的沉积工艺参数和角度；

第二，根据凸出与凹入的尺寸确定，凹入特征改善了同连接部件的机械互锁，而 突出特征有助于关节界面的应力释放，而凸出与凹入的尺寸主要与基体材料、目标涂 层的材料以及最终厚度相关；

最后，在带有结构造型的基体表面上进行封严涂层材料的热喷涂沉积，得到高抗 剥落失效的封严涂层；

涂层沉积过程中，首先要采取倾斜旋转喷涂方式，即喷枪与基体间呈一定角度、 基体通过工装固定并设置特定的转速进行旋转喷涂。因为基体表面加工出造型结构 后，若仍按传统的垂直方式喷涂，会因造型结构的阻挡而发生喷涂遮蔽效应，而产生 较多大的孔洞，造成涂层组织结构不均匀，性能稳定性差；待涂层沉积厚度达到造型 高度，即没过造型顶部后，采用垂直喷涂法进行涂层沉积。

在本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法中，通过对基体表面进行结 构造型增加了涂层与基体间的接触面积和互锁力，改变了层状叠加结构，从而可以改 变涂层表面上的裂纹生长机理，引导和释放涂层应力，增强了涂层剪切强度。可有效 阻止涂层在受到剪切摩擦力的作用下发生剥落失效，提升涂层性能，延长涂层服役寿 命。

本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法，首先通过电子束毛化工艺或 激光毛化工艺在基体表面进行结构造型，之后在造型表面利用热喷涂工艺沉积封严涂 层，来提高涂层与基体间的接触面积、改变层状叠加结构、释放涂层应力、提升封严 涂层的抗剥落能力，使涂层服役寿命得到很大延长而成分不会产生分解。

附图说明

图1为实施例1中的对基体进行毛化造型的结构示意图；

图2为实施例1中的涂层与基体毛化界面间的形貌图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技 术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种高抗剥落失效的封严涂层的制备方法，该制备方法包括以下 步骤：

利用无水乙醇或丙酮对待喷涂基体进行清洗，晾干；

将封严涂层材料粉末放入加热炉中加热至100℃保温1小时，其中，采用的封严 涂层材料的原料组成包括：Co₂₄Ni₁₆Cr₆Al_0.3Y₇BN₁₄聚酯，粒径为176±7.8μm；

将清洗干净的基体放置在毛化设备的真空罐内，设定毛化参数，开启电子束毛化 设备，抽真空，进行基体表面结构造型加工，其结构示意图如图1所示，待加工程序 运行完毕后，关闭电子束毛化设备，打开真空罐，取出毛化好的基体；其中，具体毛 化参数(根据基体在加工时毛化起刺达到所需尺度时的具体参数来定)：波形为 Com-ajmd、频率为1500Hz、束流为电子束流、时间为60S、电流为2mA-10mA、电 压为90kV；

毛化后的形状通过波形生成软件来进行波形设计后由软件生成；

将涂层材料粉末放入喷涂送粉器中，开启冷却水、冷却空气等，开启送粉器，开 启喷涂设备，在带有造型结构的基体表面进行目标涂层的沉积：首先通过倾斜旋转等 离子喷涂方法(喷枪与基体间呈70°)进行喷涂，待涂层覆盖过整个造型结构后，再 采用垂直等离子喷涂法进行涂层沉积，待喷涂至目标厚度后，关闭送粉器，关闭喷涂 设备，关闭冷却水、冷却空气，其中，等离子喷涂的参数为电流500A、电压70V、 主气40L/min、辅助气6.0L/min、送粉速度40g/min、载气流速5L/min，得到高抗剥 落失效的封严涂层，涂层与基体毛化界面间的形貌如图2所示。

对本实施例制备的高抗剥落失效的封严涂层进行了相关性能测试，测试结果如表 1所示。

表1

由表1可知，本发明提供的高抗剥落失效的封严涂层的制备方法可保证制备得到 的涂层具有良好的耐磨性，涂层孔隙率和显微硬度都在一个较优的范围内且可控，通 过它们的配合对涂层的可磨耗性进行调整。而基体表面造型结构改变了涂层层状叠加 结构，另外对于涂层的钉轧锁紧力，使其1100℃抗热震性能提高到500次循环以上 (传统的在150-200周次间)，有效地提升了涂层的抗剥落能力，延长了服役寿命。