一种具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法与流程
1.本发明是一种具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，属于高温防护涂层制造技术。
背景技术：
2.为了满足推重比12等高推重比发动机的需求，发动机涡轮进口温度不断提高，涡轮部件材料服役环境越来越恶劣，必须采用热障涂层(tbcs)进行防护。通过热障涂层的使用，可以使发动机涡轮进口温度理论上提高100℃～300℃，减少冷却空气和燃油消耗，发动机整体功率约提高20％。涡轮叶片等热端部件的服役温度直接关系到发动机的效率和寿命，准确测量带热障涂层叶片的界面温度分布和涂层的隔热效果对于先进航空发动机设计及热障涂层研制至关重要。涂层隔热效果是涡轮叶片冷却设计的重要依据。服役环境下热障涂层的真实隔热效果是涡轮叶片冷却设计的重要依据，决定了涡轮叶片高温合金的工作温度，进而决定叶片疲劳和持久寿命。
3.目前，热障涂层隔热效果的测量一般采用冷效法。首先在叶片表面开槽，然后将铠装热电偶埋入槽中并涂覆涂层，最后通过埋入的热电偶测量叶片基体表面温度，通过涂层涂覆前后的温差得出热障涂层的隔热效果。该方法为接触式测量，应用中存在明显不足：受限于开槽埋偶数量、热电偶与叶片基体的接触状态、热电偶经涂层高温工艺过程后的校准状态变化等因素的影响，测试结果往往存在很大误差，并且单根热电偶只能提供单点温度值，空间分辨率十分有限；其次，接触式热电偶需要引线来传输信号，因此无法实现在涡轮叶片转动条件下的温度测量；此外，冷效法都是在特定的试验台架上进行，无法真实模拟发动机工况，使得带涂层叶片表面的换热系数与发动机状态下的换热系数存在较大差异。冷效法无法准确测量带涂层叶片的表面和界面温度，导致热障涂层的真实隔热效果长期存在争议，严重影响了涡轮叶片冷却设计和热障涂层寿命评估。
4.基于光子衰减寿命的磷光测温技术是采用入射光激发感温层产生出射光，利用出射光的热淬灭效应，通过光信号采集和光子寿命测量即可获得所在位置的温度，实现温度分布和隔热效果的动态非接触测量。感温层采用经典热障涂层材料微量稀土掺杂改性、沉积于粘结层上，再正常沉积隔热层，必要时再在隔热层表面沉积感温层。测试时既要求感温层具有良好的光谱性能，又要求不影响原热障涂层的热物理性能和寿命，实现功能复合。
5.与其它涂层的制备技术相比，电子束物理气相沉积(eb-pvd)技术具有以下优势：1)柱状晶结构使eb-pvd法涂层具有更高的应变容限，涂层的热循环寿命更长；2)涂层更致密，抗氧化和热腐蚀性能更好；3)涂层的界面以化学键结合为主，结合力显著增强；4)表面光洁度更高，不封堵叶片的冷却气体通道，有利于保持叶片的空气动力学性能；5)需要控制的涂层制备工艺参数较少，而且通过改变工艺参数还可以控制陶瓷涂层的结构。由于具有以上优势，目前在恶劣环境下工作的热端部件，如航空发动机工作叶片上的热障涂层均采用eb-pvd技术制备。eb-pvd技术代表了未来更高性能涂层制备技术的发展方向，各主要工业国家都在竞相开展对该技术的研究。
6.国内针对磷光测温及隔热复合功能热障涂层的工艺技术，主要是采用等离子喷涂和溶胶-凝胶法两种工艺技术。这两种方法难以满足高温条件下热障涂层结合强度和柱状晶显微组织的需求，并且这两种工艺制备出的涂层抗剥落寿命较短。磷光测温要求界面感温层具有较好的出射光光谱强度等光谱性能，而且热障涂层还不能因增加的感温层而影响其服役寿命，因此其界面状态至关重要。国内外传统的磷光测温及隔热复合功能热障涂层制备方法仅考虑实现测温功能，未考虑界面混合层和结合强度，服役后因界面结合弱隔热层会发生早期剥落。另外，磷光测温及隔热复合功能热障涂层是有高温合金基底、金属粘结层、感温层、隔热层组成的多层系统，由于热膨胀系数的差异导致其在制备过程中存在较大的应力，需在工艺上尽可能减小涂层系统的内应力。
技术实现要素：
7.本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其目的是采用电子束物理气相沉积工艺制备具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层，使之既具有磷光测温及隔热复合功能，又具有优异抗热循环性能。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
9.本发明技术方案所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法是采用电子束物理气相沉积工艺，在镍基高温合金表面制备磷光测温感温层，然后在磷光测温感温层上制备具有隔热功能的ysz隔热层，其中：
10.制备磷光测温感温层的固体原料为：y2o3:eu靶材，靶材中eu2o3的摩尔百分数为2％，y2o3的摩尔百分数为98％，靶材纯度大于99％；
11.制备ysz隔热层的ysz靶材的固体原料为：6～8wt.％y2o3部分稳定的zro2靶材；
12.在制备具有隔热功能的ysz隔热层之前，将工件置于y2o3:eu靶材和ysz靶材的混合蒸汽内，对工件进行2min～4min的共同沉积形成界面混合层，共同沉积结束后，再将工件置于ysz靶材的蒸汽内进行ysz隔热层的沉积。
13.在实施中，该制备方法包括对镍基高温合金的前处理，该前处理的过程是采用1000目的砂纸预磨清除高温合金表面的残余物，之后采用水吹砂机进行水吹砂处理除去高温合金表面的氧化皮，砂粒粒径125μm以下，工作压力0.1mpa，水吹砂后，用自来水冲洗、去离子水浸泡、酒精脱水，吹干。
14.在实施中，该制备方法包括在镍基高温合金表面制备磷光测温感温层之前，在镍基高温合金表面制备金属粘结层，其工艺过程是将镍基高温合金工件装入卡具，放入真空电弧度设备并抽真空，真空度需达到1
×
10-2
pa，沉积nicocralyhf金属粘结层，其沉积工艺参数为：电弧电流650a、电弧电压30v，工件偏压为10v，工件偏流为10a，沉积时间100min，涂层厚度20μm～30μm。
15.进一步，沉积nicocralyhf金属粘结层的nicocralyhf金属靶材的纯度大于99％。
16.本发明技术方案所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法的工艺过程及工艺参数为：对工件进行预加热后放置于y2o3:eu靶材正上方，打开y2o3:eu靶材蒸发电子束，将电流稳定在0.3a～0.7a沉积磷光测温感温层至规定感温层厚度后，y2o3:eu靶材蒸发电子束不关闭，同时打开ysz靶材蒸发电子束将电流稳定至1.4a～1.6a，随
后将工件推进至y2o3:eu和ysz靶材之间的中心正上方位置，在两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积2min～4min以制备界面混合层，共同沉积结束后，将工件推进至ysz靶材正上方进行ysz隔热层沉积，关闭y2o3:eu靶材蒸发电子束，ysz靶材蒸发电子束电流持续稳定在1.4a～1.6a沉积ysz隔热层至规定隔热层厚度后，加热电子束继续开启并保持1h关闭，然后工件在沉积室缓慢冷却1h～3h后取出。
17.进一步，制备界面混合层时，两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积的时间为2min，该过程中，y2o3:eu靶材的蒸发电子束流0.3a，ysz靶材的蒸发电子束流1.4a。
18.进一步，制备界面混合层时，两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积的时间为3min，该过程中，y2o3:eu靶材的蒸发电子束流0.5a，ysz靶材的蒸发电子束流1.5a。
19.进一步，制备界面混合层时，两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积的时间为4min，该过程中，y2o3:eu靶材的蒸发电子束流0.7a，ysz靶材的蒸发电子束流1.6a。
20.以下分析本发明技术方案具有的特点及有益效果：
21.1、从沉积y2o3:eu的磷光测温感温层过渡到ysz隔热层的过程中，将工件置于y2o3:eu靶材和ysz靶材的混合蒸汽内，对工件进行共同沉积，通过控制工件位置、蒸发电子束流和沉积时间，可以形成成分和组织呈梯度渐变的界面混合层，这样不仅保证磷光测温感温层具有良好的光谱性能，而且有利于提高涂层的结合强度和抗热循环性能；
22.传统的制备磷光测温及隔热复合功能热障涂层的方法中，一种方法是在即将沉积完感温层后，立即将工件推进至隔热层靶材正上方沉积隔热层；另一种方法是沉积完感温层后，不立即关闭沉积感温层的蒸发电子束，而是将工件推进至隔热层靶材正上方沉积ysz隔热层，一段时间后再关闭沉积感温层的蒸发电子束。前一种方法由于没有形成混合蒸汽，因此无界面混合层的形成，后一种方法虽然形成了混合蒸汽，但由于混合蒸汽无法到达工件正下方，因此也无法形成界面混合层。以上两种现有方法制备的磷光测温及隔热复合功能热障涂层仅能满足短时测温的需求，由于感温层和隔热层的界面为弱界面，服役一段时间后因冷热循环容易发生界面分层，导致隔热层剥落；
23.与传统技术相比，本发明提出了界面混合层的制备要求，其工艺是将工件推进至y2o3:eu靶材和ysz靶材之间的中心正上方，这时工件正好位于两种靶材混合蒸汽的正上方，因此可以形成很好的界面混合层，该方法制备的磷光测温及隔热复合功能热障涂层除具有较好的光谱性能以满足磷光测温的要求外，由于磷光测温感温层和ysz隔热层的界面成分和组织渐变，从而使整体涂层具有优异的抗热循环性能，可解决航空发动机涡轮叶片热障涂层长时在线测温及隔热效果测试的瓶颈问题。
24.2、在ysz隔热层沉积完成后，要求加热电子束继续开启1h再关闭，工件在沉积室缓慢冷却1h～3h后取出，该技术措施是针对发明技术方案中增加的界面混合层而提出，传统工艺方法在涂层沉积完成后，一般立即关闭加热电子束，工件从沉积室取出自然冷却，因而涂层内部存在较大的残余应力，而本发明技术方案提出的该项措施，可以起到缓解涂层内应力、降低涂层残余应力的作用，进一步提高涂层的抗热循环性能；
25.3、基于y2o3:eu靶材和ysz靶材的熔点差异，制备磷光测温感温层时采用较低的电子束流，制备ysz隔热层时采用较高的电子束流，该项技术措施可以保证靶材熔池稳定，不产生飞溅，从而保证热障涂层的组织结构和性能。
具体实施方式
26.以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
27.以下实施例中所述制备金属粘结层的固体原料为nicocralyhf金属靶材，纯度大于99％。制备金属粘结层的设备为真空电弧度沉积设备。所述金属粘结层为镍基高温合金表面的金属过渡层，介于高温合金和磷光测温感温层中间。
28.以下实施例中所述的制备具有磷光测温及隔热复合功能热障涂层的设备为电子束物理气相沉积设备。
29.制备磷光测温感温层的固体原料为：y2o3:eu靶材，靶材中eu2o3的摩尔百分数为2％，y2o3的摩尔百分数为98％，靶材纯度大于99％。
30.制备ysz隔热层的ysz靶材的固体原料为：6～8wt.％y2o3部分稳定的zro2靶材。
31.实施例1：
32.采用本发明技术方案所述的制备具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层方法的步骤如下：
33.步骤一、镍基高温合金前处理：采用1000目的砂纸预磨清除高温合金表面的残余物；在清洗前采用水吹砂机进行水吹砂处理除去高温合金表面的氧化皮，砂粒125μm以下，工作压力0.1mpa；水吹砂后，用自来水冲洗、去离子水浸泡、酒精脱水，吹干；
34.步骤二、制备金属粘结层：将镍基高温合金工件装入卡具，放入真空电弧度设备并抽真空，真空度需达到1
×
10-2
pa，制备nicocralyhf金属粘结层的沉积工艺参数为：电弧电流650a、电弧电压30v，工件偏压为10v，工件偏流为10a，沉积时间100min，涂层厚度20μm～30μm；
35.步骤三、制备陶瓷热障涂层：将镍基高温合金工件装入卡具，首先对工件进行预加热，充分加热后将工件放置于y2o3:eu靶材正上方，打开y2o3:eu靶材蒸发电子束将电流稳定在0.3a沉积至规定感温层厚度。感温层沉积完成后y2o3:eu靶材蒸发电子束不要关闭，同时打开ysz靶材蒸发电子束将电流稳定至1.4a，随后将工件推进至y2o3:eu和ysz靶材中心线正上方位置，在两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积2min。共同沉积结束后，将工件推进至ysz靶材正上方进行隔热层沉积，关闭y2o3:eu靶材蒸发电子束，ysz靶材蒸发电子束电流持续稳定在1.4a沉积至规定隔热层厚度。在ysz隔热层沉积完成后，加热电子束继续开启1h后关闭，然后工件在沉积室缓慢冷却1h后取出。
36.实施例2：
37.采用本发明技术方案所述的制备具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层方法的步骤如下：
38.步骤一、镍基高温合金前处理：采用1000目的砂纸预磨清除高温合金表面的残余物；在清洗前采用水吹砂机进行水吹砂处理除去高温合金表面的氧化皮，砂粒125μm以下，工作压力0.1mpa；水吹砂后，用自来水冲洗、去离子水浸泡、酒精脱水，吹干；
39.步骤二、制备金属粘结层：将镍基高温合金工件装入专用卡具，放入真空电弧度设备并抽真空，真空度需达到1
×
10-2
pa，制备nicocralyhf金属粘结层的沉积工艺参数为：电弧电流650a、电弧电压30v，工件偏压为10v，工件偏流为10a，沉积时间100min，涂层厚度20μm～30μm；
40.步骤三、制备陶瓷热障涂层：将镍基高温合金工件装入卡具，首先对工件进行预加
热，充分加热后将工件放置于y2o3:eu靶材正上方，打开y2o3:eu靶材蒸发电子束将电流稳定在0.5a沉积至规定感温层厚度。感温层沉积完成后y2o3:eu靶材蒸发电子束不要关闭，同时打开ysz靶材蒸发电子束将电流稳定至1.5a，随后将工件推进至y2o3:eu和ysz靶材中心线正上方位置，在两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积3min。共同沉积结束后，将工件推进至ysz靶材正上方进行隔热层沉积，关闭y2o3:eu靶材蒸发电子束，ysz靶材蒸发电子束电流持续稳定在1.5a沉积至规定隔热层厚度。在ysz隔热层沉积完成后，加热电子束继续开启1h后关闭，然后工件在沉积室缓慢冷却2h后取出。
41.实施例3：
42.采用本发明技术方案所述的制备具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层方法的步骤如下：
43.步骤一、镍基高温合金前处理：采用1000目的砂纸预磨清除高温合金表面的残余物；在清洗前采用水吹砂机进行水吹砂处理除去高温合金表面的氧化皮，砂粒125μm以下，工作压力0.1mpa；水吹砂后，用自来水冲洗、去离子水浸泡、酒精脱水，吹干；
44.步骤二、制备金属粘结层：将镍基高温合金工件装入专用卡具，放入真空电弧度设备并抽真空，真空度需达到1
×
10-2
pa，制备nicocralyhf金属粘结层的沉积工艺参数为：电弧电流650a、电弧电压30v，工件偏压为10v，工件偏流为10a，沉积时间100min，涂层厚度20μm～30μm；
45.步骤三、制备陶瓷热障涂层：将镍基高温合金工件装入卡具，首先对工件进行预加热，充分加热后将工件放置于y2o3:eu靶材正上方，打开y2o3:eu靶材蒸发电子束将电流稳定在0.5a沉积至规定感温层厚度。感温层沉积完成后y2o3:eu靶材蒸发电子束不要关闭，同时打开ysz靶材蒸发电子束将电流稳定至1.6a，随后将工件推进至y2o3:eu和ysz靶材中心线正上方位置，在两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积4min。共同沉积结束后，将工件推进至ysz靶材正上方进行隔热层沉积，关闭y2o3:eu靶材蒸发电子束，ysz靶材蒸发电子束电流持续稳定在1.6a沉积至规定隔热层厚度。在ysz隔热层沉积完成后，加热电子束继续开启1h后关闭，然后工件在沉积室缓慢冷却3h后取出。
46.本发明技术方案相比现有技术的优点是能够在镍基高温合金表面采用电子束物理气相沉积工艺实现具有磷光测温及隔热复合功能热障涂层的涂覆，该热障涂层具有较好的光谱性能，满足磷光测温的要求，而且，感温层与隔热层的界面成分和组织渐变，从而涂层具有优异的抗热循环性能，可解决航空发动机涡轮叶片热障涂层长时在线测温及隔热效果测试的瓶颈问题。
技术特征：
1.一种具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：该方法是采用电子束物理气相沉积工艺，在镍基高温合金表面制备磷光测温感温层，然后在磷光测温感温层上制备具有隔热功能的ysz隔热层，其中：制备磷光测温感温层的固体原料为：y2o3:eu靶材，靶材中eu2o3的摩尔百分数为2％，y2o3的摩尔百分数为98％，靶材纯度大于99％；制备ysz隔热层的ysz靶材的固体原料为：6～8wt.％y2o3部分稳定的zro2靶材；在制备具有隔热功能的ysz隔热层之前，将工件置于y2o3:eu靶材和ysz靶材的混合蒸汽内，对工件进行2min～4min的共同沉积形成界面混合层，共同沉积结束后，再将工件置于ysz靶材的蒸汽内进行ysz隔热层的沉积。2.根据权利要求1所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：该制备方法包括对镍基高温合金的前处理，该前处理的过程是采用1000目的砂纸预磨清除高温合金表面的残余物，之后采用水吹砂机进行水吹砂处理除去高温合金表面的氧化皮，砂粒粒径125μm以下，工作压力0.1mpa，水吹砂后，用自来水冲洗、去离子水浸泡、酒精脱水，吹干。3.根据权利要求1所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：该制备方法包括在镍基高温合金表面制备磷光测温感温层之前，在镍基高温合金表面制备金属粘结层，其工艺过程是将镍基高温合金工件装入卡具，放入真空电弧度设备并抽真空，真空度需达到1
×
10-2
pa，沉积nicocralyhf金属粘结层，其沉积工艺参数为：电弧电流650a、电弧电压30v，工件偏压为10v，工件偏流为10a，沉积时间100min，涂层厚度20μm～30μm。4.根据权利要求3所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：沉积nicocralyhf金属粘结层的nicocralyhf金属靶材的纯度大于99％。5.根据权利要求1、2或3所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：该制备方法的工艺过程及工艺参数为：对工件进行预加热后放置于y2o3:eu靶材正上方，打开y2o3:eu靶材蒸发电子束，将电流稳定在0.3a～0.7a沉积磷光测温感温层至规定感温层厚度后，y2o3:eu靶材蒸发电子束不关闭，同时打开ysz靶材蒸发电子束将电流稳定至1.4a～1.6a，随后将工件推进至y2o3:eu和ysz靶材之间的中心正上方位置，在两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积2min～4min以制备界面混合层，共同沉积结束后，将工件推进至ysz靶材正上方进行ysz隔热层沉积，关闭y2o3:eu靶材蒸发电子束，ysz靶材蒸发电子束电流持续稳定在1.4a～1.6a沉积ysz隔热层至规定隔热层厚度后，加热电子束继续开启并保持1h关闭，然后工件在沉积室缓慢冷却1h～3h后取出。6.根据权利要求5所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：制备界面混合层时，两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积的时间为2min，该过程中，y2o3:eu靶材的蒸发电子束流0.3a，ysz靶材的蒸发电子束流1.4a。7.根据权利要求5所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：制备界面混合层时，两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积的时间为3min，该过程中，y2o3:eu靶材的蒸发电子束流0.5a，ysz靶材的蒸发电子束流1.5a。8.根据权利要求5所述的具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，其特征在于：制备界面混合层时，两种靶材混合蒸汽下对工件共同沉积的时间为4min，该过程
中，y2o3:eu靶材的蒸发电子束流0.7a，ysz靶材的蒸发电子束流1.6a。
技术总结
本发明是一种具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层的制备方法，该方法是采用电子束物理气相沉积工艺，在镍基高温合金表面制备具有磷光测温及隔热复合功能的热障涂层，该方法通过控制工件位置、蒸发电子束流、沉积时间制备出界面混合层，以及控制沉积后的冷却过程等因素，在高温合金表面上制备出既具有磷光测温及隔热复合功能、又具有优异抗热循环性能的热障涂层。该磷光测温及隔热复合功能热障涂层具有较好的光谱性能，满足磷光测温的要求，而且，感温层与隔热层的界面成分和组织渐变，从而涂层具有优异的抗热循环性能，可解决航空发动机涡轮叶片热障涂层长时在线测温及隔热效果测试的瓶颈问题。试的瓶颈问题。
