一種無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔及其制備和應用制造技術

本發明專利技術公開了一種無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔及其制備和應用，包括：在基體上制備

【技術實現步驟摘要】
一種無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔及其制備和應用


[0001]本專利技術屬于熱障涂層領域，具體涉及一種無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔及其制備方法
。

技術介紹

[0002]渦輪葉片是航空發動機中的重要零件，其工作環境十分惡劣，要承受高溫高壓燃氣的循環沖擊
。
渦輪進口燃氣溫度的提高對發動機性能的提高有顯著的作用，推動航空發動機向高推重比發展需要有更高的進口溫度
。
而現在渦輪葉片所使用的鎳基高溫合金溫度不超過
1150℃
，通常采用熱障涂層技術和氣膜孔冷卻技術來提高渦輪葉片的承受溫度
。
熱障涂層提高葉片抵抗高溫腐蝕的能力，而在帶涂層葉片加工氣膜孔，可在其上形成冷卻氣膜以隔絕高溫燃氣，兩者方式結合從而顯著提高葉片的耐溫能力
。
[0003]材料方面，7?
8wt
％氧化釔穩定的氧化鋯
(Y2O
3 stabilized ZrO2，
YSZ)
具有低熱導
、
高韌性和良好的化學穩定性是最經典的熱障涂層材料
。
傳統
YSZ
涂層由于相純度低，在高溫下
(≥1000℃)
易相變生成有害單斜相
(m
?
ZrO2)
，這種相變會產生破壞性的體積變化而產生微裂紋，限制其使用溫度
。
此外，在制備和氣膜孔加工中，
YSZ
由于脆硬特性也易于產生微裂紋，在服役過程中迅速擴展
、
聯結，最終導致涂層失效，葉片服役壽命；而在氣膜孔加工過程中，
YSZ
在高溫
、
沖擊等作用下，原本四方相穩定性也易于被破壞，重新轉變成有害
m
相而造成材料損傷
。
[0004]在加工氣膜孔的工藝上，“先打孔，后涂層”是目前國內較為常見的加工氣膜冷卻孔的加工工藝，但該工藝會產生縮孔現象，影響渦輪葉片氣膜冷卻的效率
。
同時，也會帶來二次加工步驟繁瑣
、
難精確定位等問題
。
而“先涂層，后打孔”的加工工藝就能很好避免這些問題，這讓其在氣膜孔加工中成為一種重要的發展趨勢
。
[0005]長脈沖激光制孔是現在最常用冷卻氣孔膜制備技術之一，但長脈沖激光加工渦輪葉片氣膜孔會產生厚的重熔層，最終導致氣孔質量較低
。
激光脈沖時間目前向著超短化發展，現在已從納秒提升至皮秒
(10
?
12s)
乃至飛秒
(10
?
15s)。
激光作用時間較短，因此飛秒激光微加工可以有效地減少加工過程中的熱效應
、
熱影響區和微裂紋，提升加工質量
。
[0006]如能在已有的高性能長壽命涂層上
(CN114231886A)
實現飛秒激光制備氣膜冷卻孔，不僅起到提高氣膜冷卻孔質量，也能進一步提高使用溫度，進而滿足發動機進口問題不斷提升的要求，還有益于提高發動機效率
、
降低能耗
、
減少維修次數，節約發動機運行成本
。

技術實現思路

[0007]本專利技術的一個目的是解決至少上述問題和
/
或缺陷，并提供至少后面將說明的優點
。
[0008]為了解決傳統制備氣孔膜堵孔縮孔
、
熱障涂層因氣孔膜形狀不規則
、
孔壁周圍有重熔層和微裂紋而引起的涂層失效問題，本專利技術提供了一種無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔的制備方法，包括：在基體上制備
YSZ
涂層，然后再通過飛秒激光對基體上的
YSZ
涂層
進行打孔，即得到無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔
。
[0009]優選的是，所述基體為
DD5
合金，其直徑為
20
～
30mm、
厚度為3～
10mm。
[0010]優選的是，所述的
YSZ
涂層是由球形薄壁空殼納米
t
′?
YSZ
粉體經大氣等離子噴涂工藝
(APS)
噴涂在基體的粘結層上形成陶瓷層制備而成
。
[0011]優選的是，所述基體在使用前表面除去氧化物和油污，然后進行噴砂，在噴砂后的基體上制備粘結層；所述粘結層通過粘結層粉體經超音速火焰噴涂噴涂在基體上制備而成；所述粘結層粉體為
Oerlikon Metco Amdry 962
牌號的
NiCrAlY
，其成分為
Ni22Cr10Al1.0Y。
[0012]優選的是，所述大氣等離子噴涂工藝的參數為：電流
400
～
600A、
電壓
60
～
70V、
氬氣流量
40
～
45
公升
/
分
、
氫氣流量6～7公升
/
分
、
噴涂距離
100
～
120mm、
送粉率
25
～
35g/min、
槍速
400
～
600mm/s。
[0013]優選的是，所述的飛秒激光的工藝參數為：激光器重頻為
100
～
150KHz
，角度為0°
、30
°
、60
°
，功率為額定功率的
20
％，其中，額定功率為
20kW
；
[0014]優選的是，所述飛秒激光采用五軸激光加工設備或六軸激光加工設備
(
由西安中科微精光子制造科技有限公司提供，
CN112453730A)。
[0015]本專利技術還提供一種如上所述的制備方法制備的無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔
。
[0016]優選的是，該氣膜冷卻孔的形狀規則，孔壁周圍未出現重熔層
、
微裂紋
、
熱影響區缺陷，且陶瓷層
、
粘結層
、
基底之間界面清晰，未出現分層現象，該氣膜冷卻孔的熱障涂層為
t
′?
YSZ
相，在經過
100
次水淬后，熱障涂層仍保持
t
′?
YSZ
相，未出現單斜
m
相
。
[0017]本專利技術還提供一種如上所述的無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔在航空發動機的渦輪葉片中的應用，在航空發動機的渦輪葉片的熱障涂層上通過飛秒激光制備無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔
。
[0018]本專利技術至少包括以下有益效果：
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.
一種無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔的制備方法，其特征在于，包括：在基體上制備
YSZ
涂層，然后再通過飛秒激光對基體上的
YSZ
涂層進行打孔，即得到無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔
。2.
如權利要求1所述的無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔的制備方法，其特征在于，所述基體為
DD5
合金，其直徑為
20
～
30mm、
厚度為3～
10mm。3.
如權利要求1所述的無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔的制備方法，其特征在于，所述的
YSZ
涂層是由球形薄壁空殼納米
t
′?
YSZ
粉體經大氣等離子噴涂工藝噴涂在基體的粘結層上形成陶瓷層制備而成
。4.
如權利要求3所述的無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔的制備方法，其特征在于，所述基體在使用前表面除去氧化物和油污，然后進行噴砂，在噴砂后的基體上制備粘結層；所述粘結層通過粘結層粉體經超音速火焰噴涂噴涂在基體上制備而成；所述粘結層粉體為
Oerlikon Metco Amdry 962
牌號的
NiCrAlY
，其成分為
Ni22Cr10Al1.0Y。5.
如權利要求3所述的無裂紋無重熔帶熱障涂層氣膜冷卻孔的制備方法，其特征在于，所述大氣等離子噴涂工藝的參數為：電流
400
～
600A、
電壓
60
～
70V、
氬氣流量
40
～
45
公升
/
分
、
氫氣流量6～7公升
/
分
、
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江闊，王杰，王欣，黃彥霖，易小龍，
申請(專利權)人：西南科技大學，
類型：發明
國別省市：