一种无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔及其制备和应用

技术领域

本发明属于热障涂层领域，具体涉及一种无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔及其制备方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机中的重要零件，其工作环境十分恶劣，要承受高温高压燃气的循环冲击。涡轮进口燃气温度的提高对发动机性能的提高有显著的作用，推动航空发动机向高推重比发展需要有更高的进口温度。而现在涡轮叶片所使用的镍基高温合金温度不超过1150℃，通常采用热障涂层技术和气膜孔冷却技术来提高涡轮叶片的承受温度。热障涂层提高叶片抵抗高温腐蚀的能力，而在带涂层叶片加工气膜孔，可在其上形成冷却气膜以隔绝高温燃气，两者方式结合从而显著提高叶片的耐温能力。

材料方面，7-8wt％氧化钇稳定的氧化锆(Y

在加工气膜孔的工艺上，“先打孔，后涂层”是目前国内较为常见的加工气膜冷却孔的加工工艺，但该工艺会产生缩孔现象，影响涡轮叶片气膜冷却的效率。同时，也会带来二次加工步骤繁琐、难精确定位等问题。而“先涂层，后打孔”的加工工艺就能很好避免这些问题，这让其在气膜孔加工中成为一种重要的发展趋势。

长脉冲激光制孔是现在最常用冷却气孔膜制备技术之一，但长脉冲激光加工涡轮叶片气膜孔会产生厚的重熔层，最终导致气孔质量较低。激光脉冲时间目前向着超短化发展，现在已从纳秒提升至皮秒(10-12s)乃至飞秒(10-15s)。激光作用时间较短，因此飞秒激光微加工可以有效地减少加工过程中的热效应、热影响区和微裂纹，提升加工质量。

如能在已有的高性能长寿命涂层上(CN114231886A)实现飞秒激光制备气膜冷却孔，不仅起到提高气膜冷却孔质量，也能进一步提高使用温度，进而满足发动机进口问题不断提升的要求，还有益于提高发动机效率、降低能耗、减少维修次数，节约发动机运行成本。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了解决传统制备气孔膜堵孔缩孔、热障涂层因气孔膜形状不规则、孔壁周围有重熔层和微裂纹而引起的涂层失效问题，本发明提供了一种无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔的制备方法，包括：在基体上制备YSZ涂层，然后再通过飞秒激光对基体上的YSZ涂层进行打孔，即得到无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔。

优选的是，所述基体为DD5合金，其直径为20～30mm、厚度为3～10mm。

优选的是，所述的YSZ涂层是由球形薄壁空壳纳米t′-YSZ粉体经大气等离子喷涂工艺(APS)喷涂在基体的粘结层上形成陶瓷层制备而成。

优选的是，所述基体在使用前表面除去氧化物和油污，然后进行喷砂，在喷砂后的基体上制备粘结层；所述粘结层通过粘结层粉体经超音速火焰喷涂喷涂在基体上制备而成；所述粘结层粉体为Oerlikon Metco Amdry 962牌号的NiCrAlY，其成分为Ni22Cr10Al1.0Y。

优选的是，所述大气等离子喷涂工艺的参数为：电流400～600A、电压60～70V、氩气流量40～45公升/分、氢气流量6～7公升/分、喷涂距离100～120mm、送粉率25～35g/min、枪速400～600mm/s。

优选的是，所述的飞秒激光的工艺参数为：激光器重频为100～150KHz，角度为0°、30°、60°，功率为额定功率的20％，其中，额定功率为20kW；

优选的是，所述飞秒激光采用五轴激光加工设备或六轴激光加工设备(由西安中科微精光子制造科技有限公司提供，CN112453730A)。

本发明还提供一种如上所述的制备方法制备的无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔。

优选的是，该气膜冷却孔的形状规则，孔壁周围未出现重熔层、微裂纹、热影响区缺陷，且陶瓷层、粘结层、基底之间界面清晰，未出现分层现象，该气膜冷却孔的热障涂层为t′-YSZ相，在经过100次水淬后，热障涂层仍保持t′-YSZ相，未出现单斜m相。

本发明还提供一种如上所述的无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔在航空发动机的涡轮叶片中的应用，在航空发动机的涡轮叶片的热障涂层上通过飞秒激光制备无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔。

本发明至少包括以下有益效果：

与常规加工气孔膜技术相比，本发明的飞秒激光加工气孔膜技术具有突出的实质性特点：

(1)采用“先涂层，后打孔”的加工工艺不会出现缩孔、堵孔现象；

(2)通过飞秒激光在球形薄壁空壳纳米t′-YSZ粉体APS涂层上加工气膜冷却孔，能得到形状规则的气膜孔，且孔壁周围未出现重熔层、微裂纹、热影响区等缺陷而各层间，也未出现分层现象；

(3)水淬100次前后合金基底的成分变化不大，各界面结合依然紧密，孔壁周围未出现其他较明显的缺陷，涂层并未出现脱落现象。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明的实施例1制备的YSZ涂层、功率为20％的30°打孔后及1050℃水淬循环101次涂层XRD图谱；

图2为本发明的实施例1功率为20％的30°打孔后不同位置Raman图谱；

图3为本发明的实施例1功率为20％不同角度0°、30°、60°飞秒激光加工涂层气膜孔的SEM图；

图4为本发明的实施例1功率大于20％不同角度0°、30°、60°飞秒激光加工涂层气膜孔的SEM图；

图5为本发明的实施例1功率为20％的30°打孔后气膜孔截面SEM图；

图6为本发明的实施例1未打孔和30°打孔后涂层样品1050℃水淬0次、50次、70次、100次宏观照片；

图7为本发明的实施例1在30°打孔后涂层1050℃水淬100次气膜孔的表面SEM图；

图8为本发明的实施例1在30°打孔后涂层1050℃水淬100次气膜孔的截面SEM图；

图9为实施例2商用YSZ制备气膜冷却孔的SEM图；

图10为实施例2商用YSZ制备气膜冷却孔不同位置Raman图谱。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1：

一种无裂纹无重熔带热障涂层气膜冷却孔的制备方法，包括以下步骤：

1、YSZ涂层制备：

基体采用规格为直径25.4mm、厚度5mm的DD5合金(化学成分见表1)，其表面涂层是由粘结层和陶瓷层组成的双层结构；

其中，YSZ陶瓷层是由球形薄壁空壳纳米t′-YSZ粉体(CN114231886A)经大气等离子喷涂工艺喷涂在基体的粘结层上形成陶瓷层制备而成；球形薄壁空壳纳米t′-YSZ粉体的粒径14-105μm，流动性30s/100g；大气等离子喷涂工艺(APS)的设备是Oerlikon Metco生产的Unicoat，喷涂工艺参数如表2；粘结层粉体采用Oerlikon Metco Amdry 962牌号的NiCrAlY，其粒径范围53-106μm；粘结层和基体具体信息及化学成分见表3和4；粘结层采用Oerlikon Metco的超音速火焰喷涂(HVOF)UnicoatPro-LF系统制备在基体上，涂层制备前基体表面除去氧化物、油污等其它杂质，再依次喷砂、喷涂粘结层和陶瓷层；

表1DD5单晶高温合金的成分(质量分数/％)

表2APS喷涂参数

a：NLPM为公升/分；

表3粘结层粉体信息

表4M951合金成分(质量分数/％)

采用荷兰帕纳科公司生产的型号为X’Pert PRO、配有X’Celerator超能探测器的多功能X射线衍射仪进行物相测试，x射线是Cu靶kα1，波长λ＝0.15406nm。其XRD图谱请参见图1。结果表明涂层是t′-YSZ相。

2、气孔膜制备：

采用西安中科微精光子制造科技有限公司的五轴激光加工设备MicroDrill 100和六轴激光加工设备MicroDrill 100，分别用飞秒激光对制备的YSZ涂层进行气膜孔的加工；激光器重频为100KHz，角度为0°、30°、60°(打孔方向与垂直试样表面的方向所成夹角)，功率为额定功率的20％、大于20％(额定功率为20kW)；

采用荷兰帕纳科公司生产的型号为X’Pert PRO、配有X’Celerator超能探测器的多功能X射线衍射仪进行物相测试，x射线是Cu靶kα1，波长λ＝0.15406nm。功率为20％时30°打孔后涂层XRD图谱请参见图1。采用日本堀场公司生产的型号是LabRAM HR800显微激光共聚焦拉曼光谱仪进行物相测试，激光器为532nm。A为孔边缘位置，B、C、D分别距离孔边缘80、160、320μm，打孔后涂层Raman图谱请参见图2。采用德国蔡司公司生产的型号为Ultra 55的场发射扫描电子显微镜观察涂层显微结构，其SEM图像请参见图3和图4，截面SEM图见图5。

XRD结果表明，功率为额定功率的20％时，30°打孔后涂层在2θ为30°左右只有一个最强峰t′(111)，在其左右并未出现其他的衍射峰即没有出现m相的衍射峰。而其他角度上也未出现m相和c相的衍射峰，表明飞秒激光打孔的过程中，涂层并没有发生相变，具有高的相稳定性。Raman结果也表明功率为20％时，30°打孔后涂层仍然保持t′-YSZ相，在打孔过程中，涂层没有发生相变。当功率为20％时，0°、30°、60°所制备气膜冷却孔SEM结果表明，涂层均未出现脱落现象，涂层边缘也未发现裂纹气膜冷却孔形状非常规则，圆心度高，孔边缘没有产生裂纹缺陷，且未出现重熔现象。当功率为20％时，孔的形状变得越来越不规则，孔的背面出现了涂层沉积物堵塞气膜孔。截面图中孔形状规则，陶瓷层约～250μm，粘结层～150μm，陶瓷层、粘结层、基底之间界面清晰。

3、抗热震性能

将上述功率为额定功率的20％时，未打孔和30°打孔后APS制备的YSZ涂层试样按航空工业标准HB7269-96中热震性能测试方法考核。将喷涂好涂层试样放入高温炉中，1050℃保温10min，取出式样迅速投入20±5℃去离子水淬冷5min。按上述步骤循环往复进行，记录热震水淬循环次数，观察涂层表面出现裂纹、起皮或剥落等情况。

经0次、50次、70次、100次水淬后，未打孔和30°打孔后涂层样品宏观照片分别如图6。结果表明，涂层直至100次水淬，未打孔仅有局部边缘和试样中心出现少许剥落，30°打孔后涂层未见明显脱落，二个样品整体都比较完好。

采用荷兰帕纳科公司生产的型号为X’Pert PRO、配有X’Celerator超能探测器的多功能X射线衍射仪进行物相测试，x射线是Cu靶kα1，波长λ＝0.15406nm。功率为20％时30°打孔后涂层水淬100次XRD图谱请参见图1。采用德国蔡司公司生产的型号为Ultra 55的场发射扫描电子显微镜观察涂层显微结构，其SEM见图7。

经过100次水淬后，涂层仍保持t′-YSZ相，未出现有害单斜m相。涂层表面气膜孔形状完好，粘结层和陶瓷层界面生成了黑色的热生长氧化物(TGO)，～4.4μm，小于涂层脱落临界厚度6μm，各层界面间的结合依然紧密，并未出现分层现象(图8)。

实施例2：

将3mol％商用YSZ材料喷涂在试样上，用德国通快(TRUMPF)有限公司生产的TruMicro 5050型皮秒激光器制备气膜冷却孔(封得财，YSZ皮秒激光打孔材料损伤机制与综合质量控制研究，上海交通大学硕士学位论文)。

商用YSZ皮秒激光器空气中制备气膜冷却孔的SEM图谱(图9)中，气膜孔周围产生较多裂纹，裂纹粗且长，环绕孔周围生长，呈现出接近环状的分布，同时孔壁处还有多处位置因裂纹而崩裂。商用YSZ皮秒激光器空气中制备气膜冷却孔试样在0μm、80μm、160μm处均出现了明显的单斜m相特征峰(178cm-1和189cm-1)，而在240μm处则并未出现，呈现出典型的四方相谱线(图10)。采用商用YSZ制备涂层在功率更小的皮秒激光器加工孔过程就会发生t→m的相变，这种相变会导致涂层剥落失效，从而导致造成材料损伤。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。