一种利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法

1.本发明涉及热障涂层技术领域，特别涉及一种利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法。


背景技术：

2.热障涂层体系由合金粘接层、陶瓷层以及由合金粘接层氧化而形成的热生长氧化物层(tgo)组成。为了进一步提高合金粘接层的抗高温氧化性能，常用的方法主要有两种：一种是合金粘接层表面预先制备一层致密的al2o3膜，以减缓tgo的生长速率，另一种是降低合金粘接层的表面粗糙度，以减小涂层的界面应力，最终制备出具有良好抗氧化性能的合金粘接层。目前，合金粘接层改性处理方法主要包括：真空/低压预热处理、激光重熔处理、电子束重熔处理、喷砂/喷丸/研磨处理、镀铝或镀铝结合激光重熔处理等。结果表明对涂层进行真空或低压预热处理后，在合金粘接层的表面会生成一层致密的al2o3膜，可以有效地阻挡cr2o3、nio及(ni,co)(al,cr)2o4尖晶石等混合氧化物(csn)的生成，在一定程度上能减缓tgo的生长速率，提高涂层的抗高温氧化性能。然而，由于其操作是在真空或低压环境中进行，工件尺寸受到真空室的限制；同时，预热生成的al2o3膜较薄，对合金粘接层的粗糙度影响较小，即真空或低压预热处理不能有效地改善合金粘接层的表面粗糙度。对合金粘接层表面进行喷砂、喷丸及研磨处理会减小合金粘接层的表面粗糙度，在氧化过程中会形成致密的al2o3膜，涂层的抗氧化性也会随之提高。但喷砂、喷丸及研磨处理也有明显的不足，即在喷砂、喷丸及研磨处理的过程中，砂粒等物质容易夹杂在合金粘接层的表面，在涂层高温服役时反而会促进氧在涂层中的扩散，加剧涂层的氧化，同时还会在合金粘接层表面造成缺陷，形成裂纹源，导致涂层失效。在无陶瓷层的合金粘接层表面镀一层铝，可以有效的降低tgo生长速率。当在镀铝层上方喷涂陶瓷层后，镀al层极易混入部分陶瓷层的原料粉末颗粒，反而容易加速氧化，降低涂层的抗高温氧化性能。利用激光重熔或电子束重熔工艺对合金粘接层表面进行处理，虽然可以降低合金粘接层的表面粗糙度，但无法在其表面快速生成一层致密氧化膜。在热障涂层制备过程中，采用以上处理工艺均存在工艺转换的问题，且操作复杂，势必会降低生产效率，不利于连续生产，喷涂工艺的转换也易导致合金粘接层表面污染，同时还会增加生产成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种利用等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法，使合金粘接层在降低表面粗糙度的同时，还能在表面氧化形成一层致密的氧化膜，从而提高热障涂层的抗高温氧化性能。
4.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
5.一种利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法，包括以下步骤：第一步，在基体表面制备合金粘接层；第二步，利用超音速等离子体射流对合金粘接层进行表面改性处理降低表面粗糙度；第三步，利用超音速等离子体射流对合金粘接层进行表面改
性处理快速形成致密氧化物层。
6.进一步的，第一步具体包括以下步骤：采用超音速等离子喷涂喷枪在金属基体表面制备合金粘接层，合金粘接层材料为conicraly、nicocraly、nicraly、nicocralyhf、nicocralyhfsi或nicocraltay，表面粗糙度ra为15-35μm。
7.进一步的，第二步具体包括以下步骤：采用超音速等离子喷涂射流在无送粉状态下对已形成的合金粘接层表面进行连续扫描，功率为50-100kw，距离为20-50mm，次数为20-50次，扫描角度(射流与涂层表面夹角)为15
°‑
75
°
，移动速度为20-200mm/s。
8.进一步的，第二步中利用超音速等离子喷涂过程中等离子体射流刚性大及高温、高速特征将合金粘接层表面进行重熔、并把粘附在合金粘接层表面的未熔颗粒去除，降低表面粗糙度(ra为4-10μm)，同时氧化形成弥散分布的氧化物。
9.进一步的，第三步采取以下步骤：采用超音速等离子喷涂射流在无送粉状态下对表面重熔后的合金粘接层表面进行再次连续扫描，功率为35-110kw，距离为60-150mm，次数为50-120次，扫描角度(射流与涂层表面夹角)为80
°‑
100
°
，移动速度为100-500mm/s。
10.进一步的，第三步中利用超音速等离子喷涂过程中等离子体射流的高热焓值特征使合金粘接层表面氧化生成一层致密的氧化物层，厚度为50-300nm。
11.本发明具有以下有益效果：按照本发明的方法，沉积制备完合金粘接层后，在不移动样品和更换设备的前提下，利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面进行改性处理，可显著降低合金粘接层的表面粗糙度，能快速高效的在合金粘接层表面形成一层致密的氧化层，从而有效提高热障涂层的抗高温氧化性能，可进一步提升热障涂层的高温服役性能，具有广阔的应用前景。
附图说明
12.图1为实施例1喷涂态合金粘接层表面形貌；
13.图2为实施例1喷涂态合金粘接层剖面形貌；
14.图3为实施例1等离子体射流表面改性后合金粘接层表面形貌；
15.图4为实施例1合金粘接层经过表面改性后的氧化物表面形貌；
16.图5为实施例1合金粘接层经过表面改性后的氧化物剖面形貌；
17.图6为实施例1涂层在1050℃静态氧化200h后的剖面形貌。
具体实施方式
18.以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
19.实施例1
20.一种利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法，以conicraly合金粉末为原料(平均直径约为60μm)，采用超音速等离子喷涂喷枪沉积制备合金粘接层，对合金粘接层进行扫描电镜观察，得到的涂层表面形貌如图1所示，剖面形貌如图2所示。对其表面粗糙度进行测量可知，喷涂态的合金粘接层表面粗糙度ra为27μm。
21.利用等离子体射流分两步对合金粘接层表面进行连续扫描加热处理，操作步骤为：
22.第一步：功率为80kw，距离为30mm，连续加热30次，扫描角度为45
°
，移动速度为
110mm/s。
23.第二步：功率为100kw，距离为120mm，连续加热80次，扫描角度为90
°
，移动速度为300mm/s。
24.两步热处理后的涂层表面形貌加图3所示，对比图1可以发现，经过超音速等离子体射流预热处理后喷涂态合金粘接层表面粘附的未熔颗粒消失，同时还提高了合金粘接层的表面光洁度，表面粗糙度ra为10μm。
25.合金粘接层经过第一步初次预热处理后，在涂层表面有细小均匀分布的氧化物颗粒形成；在此基础上再进行第二次预热处理后，涂层表面细小均匀分布的氧化物长大连接成膜，膜厚约为90nm，其表面微观形貌如图4所示，剖面形貌如图5所示。对涂层进行1050℃高温静态氧化实验，结果如图6所示，从中可以发现在对合金粘接层表面改性后，可以明显提高涂层的抗高温氧化性能，表现为氧化后合金粘接层表面tgo层厚度显著降低，且tgo层中的混合氧化物层也较薄，有效地降低了涂层的氧化速率。
26.实施例2
27.一种利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法，以nicocraly合金粉末为原料(平均直径约为50μm)，采用超音速等离子喷涂喷枪沉积制备合金粘接层，对其表面粗糙度进行测量可知，喷涂态的合金粘接层表面粗糙度ra为22μm。
28.利用等离子体射流分两步对合金粘接层表面进行连续扫描加热处理，操作步骤为：
29.第一步：功率为70kw，距离为45mm，连续加热40次，扫描角度为60
°
，移动速度为90mm/s。
30.第二步：功率为110kw，距离为100mm，连续加热60次，扫描角度为85
°
，移动速度为350mm/s。
31.经过超音速等离子体射流预热处理后喷涂态合金粘接层表面光洁度升高，其表面粗糙度ra为8μm。
32.合金粘接层经过二次超音速等离子体射流预热处理后，涂层表面氧化形成一层氧化物膜，厚度约为60nm。对涂层进行1050℃高温静态氧化实验，结果表明，在对合金粘接层表面改性后，可以明显提高涂层的抗高温氧化性能，表现为氧化后合金粘接层表面tgo层厚度显著降低，且tgo层中的混合氧化物层也较薄，有效地降低了涂层的氧化速率。
33.实施例3
34.一种利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面改性的方法，以nicraly合金粉末为原料(粉末粒径为5-30μm)，采用超音速等离子喷涂喷枪沉积制备合金粘接层，喷涂态的合金粘接层表面粗糙度ra为17μm。
35.利用等离子体射流分两步对合金粘接层表面进行连续扫描加热处理，操作步骤为：
36.第一步：功率为60kw，距离为20mm，连续加热45次，扫描角度为50
°
，移动速度为160mm/s。
37.第二步：功率为80kw，距离为140mm，连续加热90次，扫描角度为90
°
，移动速度为400mm/s。
38.两步热处理后的涂层表面光洁度提高，无未熔颗粒付着，表面粗糙度ra为5μm。
39.合金粘接层经过二次预热处理后，涂层表面氧化形成一层致密氧化膜，厚度约为150nm。对涂层进行1050℃高温静态氧化实验，结果表面，对合金粘接层表面改性后，涂层的抗高温氧化性能显著提高，表现为氧化后合金粘接层表面tgo层厚度显著降低，且tgo层中的混合氧化物层也较薄，有效地降低了涂层的氧化速率。
40.目前对合金粘接层进行表面处理大多采用真空加热的方法，目的使其表面形成以al2o3为主的氧化物层，从而降低合金粘接层在高温服役条件下的氧化速率。而采用真空处理，零件尺寸将受到真空室的限制，大大限制了该方法的应用；此外，真空处理后不能有效降低合金粘接层表面粗糙度，以减少涂层界面应力。而本发明利用超音速等离子体射流刚性大及高温、高速特点，在大气条件下对合金粘接层进行表面改性处理，对涂层表面进行了重熔，能有效降低涂层的表面粗糙度，同时还能使其表面形成一层致密氧化物。此外，采用超音速等离子喷涂不仅可以沉积合金粘接层、对合金粘接层表面进行改性处理，还可以制备性能优异的陶瓷层，能实现热障涂层的连续化生产，不需要工艺转换和增加设备，从而极大地提高了效率和降低生产成本。
41.通过本发明，最终可有效地提高涂层的抗高温氧化性能，能进一步的提升热障涂层的高温服役性能，具有广阔的应用前景。