激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法

摘要

一种激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法，其特征是方法步骤为：(1)将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与双斗自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；(4)将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的70～30％；(5)使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～90wt.％；(6)重复步骤(2)-(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。本发明的优点是：(1)对基材的尺寸、形状以及需要处理的部位无限制；(2)对于梯度功能热障涂层，陶瓷相在涂层内的含量沿涂层厚度方向呈梯度变化、可控；(3)整个梯度功能热障涂层无气孔与裂纹；(4)服役寿命大幅度提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法。

背景技术

随着航空燃气涡轮机向着高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，涡轮前进口温度不断提高，目前已接近2000K。为提高涡轮机外环、叶片等高温热端部件的使用寿命，保证燃气涡轮机安全稳定运行，除改进高温合金的成分、制备工艺以及叶片设计外，使用防护性热障涂层是目前最有效的方法。

目前，在高温合金热端部件表面制备热障涂层的技术主要有等离子喷涂(plasma spraying)、电子束-物理气相沉积(EB-PVD)、激光熔覆(laser cladding)等。其中，等离子喷涂热障涂层技术具有工艺成熟、操作简单与效率高等优点，但制备的热障涂层与基材呈机械结合，其内部存在大量的气孔与微裂纹，导致涂层在服役的过程中易剥落。电子束-物理气相沉积技术制备的热障涂层具有柱状晶结构，其工作寿命相对于等离子喷涂层大幅度提高，但是该技术操作复杂、沉积效率低、技术难度大、涂层与基材的结合强度也不高。激光熔覆技术制备的热障涂层具有组织致密，稀释率低，与基材形成结合强度高的冶金结合，优异的抗高温氧化与抗热震性能。但是，激光熔覆效率较低以及熔覆层易产生裂纹等冶金缺陷极大地限制了该技术的工业化应用范围。

此外，热障涂层通常采用结构简单的陶瓷层-粘结层的双层结构，使各层间界面明显，不同的热膨胀系数易在层间产生热应力，导致涂层退化与失效。采用粘结金属层、多层隔热层和阻氧层以及陶瓷顶层构成的多层结构，虽然可以获得相对双层结构更厚的涂层以及更好的抗氧化性能，但对涂层的抗热震性能改善不大，且工艺复杂，重复性与可靠性较差。因此，随着热障涂层应用要求的不断提高，必须开发具有热应力缓冲功能的梯度功能热障涂层。

近年来，可以在高效率条件下，将涂层内的热应力降低到最小程度，从而制备高性能的无裂纹涂层的激光感应复合熔覆技术(Zhou Shengfeng，HuangYongjun，Zeng Xiaoyan，Hu Qianwu.Microstructure characteristics of Ni-basedWC composite coatings by laser induction hybrid rapid cladding.Materials Scienceand Engineering：A，2008，480(1-2)：564-572)引起了人们的广泛兴趣。但是，关于采用激光感应复合熔覆技术制备陶瓷相含量高且具有热应力缓冲功能的无裂纹梯度功能热障涂层并未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法，激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层具有化学成分、组织结构以及力学性能沿涂层厚度方向呈梯度连续变化的特点，避免了基体和陶瓷层热膨胀系数不匹配而导致的热应力，可大幅度提高涂层的抗热震性能与使用寿命。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：

(1)首先将粘结金属MCrAlY(M＝Ni，NiCo)合金粉末与陶瓷相氧化铈稳定的氧化锆(ZrO₂+(6～8％)CeO₂)或铸造WC以及高熔点、高硬度的硼化物、硅化物和金属间化合物分别装入双斗自动送粉器的两个装料斗内，然后将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理，通过精确调节双斗送粉器的两个装料斗的送粉率，使陶瓷相在复合粉末(由陶瓷相与粘结金属组成的混合物)中质量百分含量为0～90wt.％。

(2)将基材表面与感应加热线圈之间的距离控制在2～10mm内，通入电流至感应加热线圈，并调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为300～1000℃，同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体，防止其高温氧化；

(3)将聚焦激光束与双斗自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将复合粉末吹入激光感应复合熔覆热源形成的熔池内，复合粉末在熔池内发生熔化并在基材的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层；激光感应复合熔覆过程中，粉末喷嘴与基材表面法向间的夹角为30～70°，粉末喷嘴与基材的垂直距离为10～15mm，粉末流量为1～12kg/h，激光束光斑直径为1～20mm，激光功率为2～8kW，感应加热功率为20～200kW，激光扫描速度为1～12m/min，单层涂层的厚度为0.1～2mm；

(4)当激光感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的70～30％；

(5)当激光感应复合熔覆完一层涂层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一涂层激光感应复合熔覆时的起始位置，并沿Z轴上升到上一涂层的厚度距离，同时增加陶瓷相的送粉率，使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～90wt.％；

(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)-(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。

本发明所述的陶瓷相镶嵌于粘结金属内，并沿涂层厚度方向呈0～90wt.％范围内任意可调。

本发明所述在进行步骤(3)时，激光束采用CO₂激光、Nd:YAG激光或光纤激光，经聚焦后与双斗自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合。

本发明所述在步骤(4)时，将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的70～30％，从而控制连续两道次间的搭接率为30～70％。

本发明的优点是：(1)激光感应复合熔覆效率高，可以对需要加工的区域精确定位，而不必对基材进行整体加热，因此对基材的尺寸、形状以及需要处理的部位无限制；(2)对于梯度功能热障涂层，陶瓷相在涂层内的含量沿涂层厚度方向呈梯度变化、可控，而且可在0～90wt.％范围内任意调节；(3)梯度功能热障涂层与基材呈结合强度高的冶金结合，而且整个梯度功能热障涂层无气孔与裂纹；(4)梯度功能热障涂层具有优异的抗热震性能，相对于等离子喷涂相同成分材料的抗热震性能提高3～10倍，服役寿命大幅度提高。

附图说明

图1为本发明激光感应复合熔覆功能梯度热障涂层的装置示意图。

图2为本发明激光感应复合熔覆的感应加热线圈与基材相对位置的示意图。

具体实施方式

实施例1

在基材镍基高温合金表面制备NiCrAlY/(ZrO₂+(6～8％)CeO₂)梯度功能热障涂层，该涂层的厚度为6mm，其中陶瓷相氧化铈稳定的氧化锆(ZrO₂+(6～8％)CeO₂)镶嵌于粘结金属NiCrAlY内，并沿涂层厚度方向呈0～90wt.％范围内任意可调的梯度分布。

本实施例的实施过程为，如图1与图2所示。

(1)熔覆材料的选择与准备：粘结金属为NiCrAlY合金粉末，其化学成分为(质量百分比)50～70％Ni、19～25％Cr、6～8％Al、0.08～1.5％Y，其粒径为45～90μm，陶瓷相为氧化铈稳定的氧化锆(ZrO₂+(6～8％)CeO₂)，其粒径为20～40μm，将NiCrAlY合金粉末与氧化铈稳定的氧化锆(ZrO₂+(6～8％)CeO₂)颗粒分别装入双斗自动送粉器9的两个装料斗7、7’内，然后将基材镍基高温合金14的表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理。此外，精确调节双斗送粉器9的两个装料斗7、7’的送粉率，使氧化铈稳定的氧化锆(ZrO₂+(6～8％)CeO₂)在复合粉末8(由氧化铈稳定的氧化锆与NiCrAlY合金粉末组成的混合物)内的质量百分含量为0～90wt.％；

(2)将镍基高温合金14的表面与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5mm，通入电流至感应加热线圈10，并利用计算机1调节感应加热电源12的感应加热功率，使镍基高温合金14的表面被感应加热线圈10加热的温度为800℃，同时利用铜管18向感应加热区11吹入氮气作为保护气体，防止感应加热区11的高温氧化；

(3)CO₂激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦系统5聚焦，聚焦后的CO₂激光束与双斗自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴6将复合粉末8吹入激光感应复合熔覆热源形成的熔池17内，复合粉末8在熔池17内发生熔化并在镍基高温合金14的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层15；

在激光感应复合熔覆过程中，粉末喷嘴6与镍基高温合金14的表面法向间的夹角为45°，粉末喷嘴6与镍基高温合金14表面的垂直距离为12mm，粉末流量为6kg/h，激光束光斑直径为5mm，激光功率为8kW，感应加热功率为80kW，激光扫描速度为3m/min，单层涂层的厚度为0.6mm。

(4)当激光感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床13，其移动的距离为激光光斑直径的50％，从而控制连续两道次间的搭接率为50％；

(5)当激光感应复合熔覆完一层涂层之后，利用计算机1将激光头4、感应加热线圈10和粉末喷嘴6返回到上一涂层激光感应复合熔覆时的起始位置，并沿Z轴上升0.6mm，同时增加陶瓷相氧化铈稳定的氧化锆的送粉率，使氧化铈稳定的氧化锆(ZrO₂+(6～8％)CeO₂在复合粉末8内的质量百分含量增加10wt.％；

(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)-(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。

实施例2

在基材镍基高温合金表面制备NiCoCrAlY/Ti₃Al梯度功能热障涂层，该涂层的厚度为3mm，其中陶瓷相Ti₃Al镶嵌于粘结金属NiCoCrAlY内，并沿涂层厚度方向呈0～90wt.％范围内任意可调的梯度分布。

本实施例的实施过程为，如图1与图2所示。

(1)熔覆材料的选择与准备：粘结金属为NiCoCrAlY合金粉末，其化学成分为(重量百分比)40～60％Ni、18～22％Co、19～25％Cr、6～8％Al、0.08～1.5％Y，其粒径为45～90μm；陶瓷相为金属间化合物Ti₃Al颗粒，其粒径为40～60μm，然后将NiCoCrAlY合金粉末与Ti₃Al颗粒分别装入双斗自动送粉器9的两个装料斗7、7’内；将镍基高温合金14的表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理。此外，精确调节双斗送粉器9的两个装料斗7、7’的送粉率，使Ti₃Al颗粒在复合粉末8(由Ti₃Al颗粒与NiCoCrAlY合金粉末组成的混合物)内的质量百分含量为0～90wt.％；

(2)将镍基高温合金14的表面与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为8mm内，通入电流至感应加热线圈10，并利用计算机1调节感应加热电源12的感应加热功率，使镍基高温合金14的表面被感应加热线圈10加热的温度为930℃，同时利用铜管18对感应加热区11吹入N₂作为保护气体，防止感应加热区11的高温氧化；

(3)Nd:YAG激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦系统5聚焦，聚焦后的Nd:YAG激光束与双斗自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴6将复合粉末8吹入激光感应复合熔覆热源形成的熔池17内，复合粉末8在熔池17内发生熔化并在镍基高温合金14的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成涂层15；激光感应复合熔覆过程中，粉末喷嘴6与镍基高温合金14的表面法向间的夹角为37°，粉末喷嘴6与镍基高温合金14表面的垂直距离为10mm，粉末流量为12kg/h，激光束光斑直径为8mm，激光功率为3kW，感应加热功率为120kW，激光扫描速度为8m/min，单层涂层的厚度为0.5mm；

(4)当激光感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床13，其移动的距离为激光光斑直径的45％，从而控制连续两道次间的搭接率为55％；

(5)当激光感应复合熔覆完一层涂层之后，利用计算机1将激光头4、感应加热线圈10和粉末喷嘴6返回到上一涂层激光感应复合熔覆时的起始位置，并沿Z轴上升0.5mm，同时增加陶瓷相Ti₃Al的送粉率，使Ti₃Al颗粒在复合粉末8内的质量百分含量增加18wt.％；

(6)检测涂层的厚度是否达到预期的厚度要求，如果没有，重复步骤(2)-(5)，直到涂层达到所要求的厚度；否则，工作结束。