一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝的制作方法
【專利摘要】一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝，用激光在帶熱障涂層的鎳基高溫合金工件上進行激光重熔時，利用高頻感應加熱和超聲波振動輔助工藝改善重熔質量，在重熔過程中，高頻感應加熱可以減小重熔過程中的熱應力，避免激光深度重熔陶瓷層時的大量裂紋產生；超聲波振動能使陶瓷層晶粒細化，得到密排的柱狀晶。在激光重熔過程中，通過高頻感應加熱和超聲波振動兩種輔助工藝的引入，能獲得具有密排柱狀晶結構的陶瓷涂層，經(jīng)激光重熔后的陶瓷涂層裂紋較少，柱狀晶組織均勻、細密，密排柱狀晶寬1μm～5μm。
【專利說明】一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工【技術領域】，具體涉及一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝。
【背景技術】
[0002]目前我國熱障涂層制備面臨的最大問題是涂層過早剝落，大量研究表明，涂層剝落的三個主要原因:陶瓷層與粘結層界面熱生長氧化物(TG0，主要成分是Al2O3)的形成與生長；界面結合強度不足；陶瓷層與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配。這一方面與涂層材料的屬性相關，另一方面與涂層結構及其制備方法也有密切的關系。
[0003]陶瓷層是熱障涂層系統(tǒng)的核心，但由于材料的固有屬性，其熱膨脹系數(shù)相對基體和粘結層都較小，且質脆，在有熱應變情況下極易因熱膨脹系數(shù)不匹配而導致陶瓷層剝落，另外，一般頂部陶瓷層中都存在微間隙，在高溫下氧原子和燃氣中的腐蝕雜質(so2，v2o5)容易擴散到粘結層，使粘結層發(fā)生氧化膨脹或腐蝕變質，最終導致涂層剝落失效，最后，陶瓷層與粘結層的結合力對熱障涂層壽命也有非常大的影響，等離子噴涂形成的界面主要為機械結構，這種結合方式結合力較低，在高溫高壓惡劣的環(huán)境下工作可靠性降低。
[0004]激光重熔技術是利用高能熱源快速移動，使材料熔化后迅速凝固產生均勻、致密的顯微結構，且表面光潔度高。經(jīng)過激光重熔的YSZ涂層，出現(xiàn)緊密堆積的柱狀晶結構，柱狀晶定向處延生長，垂直于基體表面，這對于減小由基體與陶瓷層熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應力相當有效，且陶瓷與金屬界面可形成冶金結合，提高了結合強度。眾多研究表明:激光重熔技術可以明顯改善等離子噴涂涂層的性能，涂層壽命可提高2-6倍。激光重熔目前主要是指對APS預制的熱障涂層進行表面改性。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝，能制備出一種具有密排柱狀晶結構并且在連接界面形成冶金結合的陶瓷涂層，這種陶瓷涂層具有能夠提高熱障涂層熱震性能、高溫氧化性能、高溫腐蝕性能優(yōu)點。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0007]—種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝，包括下述步驟:
[0008] I)將帶熱障涂層的鎳基高溫合金工件I固定在激光重熔設備的夾具11上，夾具11下部與超聲波振動振子8相連，超聲波振動振子8固定在五軸運動工作臺12上，超聲波振動振子8和超聲波發(fā)生器9連接，五軸運動工作臺12和運動控制系統(tǒng)14連接，在工件I的上方設有高頻感應線圈4，高頻感應線圈4和調節(jié)高頻感應器10連接，在工件I上方設有激光頭5，激光頭5和激光器15連接，激光器15和激光控制系統(tǒng)13連接，激光器15中發(fā)射出的激光經(jīng)透鏡6聚焦后照射在陶瓷層3上，在工件I底部施加超聲波振動，超聲波振動的工作頻率為15KHz~20KHz ；[0009]2)在確保激光能全部重熔陶瓷涂層3的前提下，盡可能提高激光重熔效率，調節(jié)激光重熔參數(shù):調節(jié)激光單脈沖能量為7J~9J，激光脈沖寬度為Ims~1.5ms,重復頻率為60HZ~70HZ,激光光斑直徑為3mm~4mm ；
[0010]3)根據(jù)工件I的尺寸在運動控制系統(tǒng)14中編程激光重熔路線，設定激光掃描速度為30~50mm/s、掃描方式為多道搭接法；
[0011]4)調節(jié)高頻感應器10的工作功率為20KW~25KW，在運動控制系統(tǒng)14中設定高頻感應線圈4的移動速度，使其運動與激光頭5的運動保持同步；
[0012]5)先打開超聲波發(fā)生器9，給工件I施加超聲波振動，其次打開調節(jié)高頻感應器10，高頻感應加熱工件I，最后打開激光器15，打開運動控制系統(tǒng)14使五軸運動工作臺12按設定的編程路線運動，使其激光重熔與高頻感應加熱同步進行。
[0013]所制備的密排柱狀晶結構組織均勻、細密，密排柱狀晶寬I μ m~5 μ m。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點:采用了高頻感應加熱方式，其特點是升溫速度快，且可對規(guī)定區(qū)域進行局部預熱，減小重熔過程中的熱應力，避免激光深度重熔陶瓷層時的大量裂紋產生；激光重溶過程中在工件上加入超聲波振動能使液態(tài)材料在凝固中運動加速，造成枝晶破碎，這一方面使已成長的晶粒因破碎而細化，另一方面破碎的枝晶可以作為晶核，增加形核率，因此，超聲波振動能使陶瓷層晶粒細化，得到密排的柱狀晶。在激光重熔過程中，高頻感應加熱和超聲波振動兩種輔助加工工藝的引入，能獲得具有密排柱狀晶結構的陶瓷涂層，重熔后的陶瓷涂層裂紋較少，柱狀晶組織均勻、細密，密排柱狀晶寬I μ m~5 μ m。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的激光重熔所用設備的連接示意圖。
[0016]圖2是圖1中工件I激光重熔示意圖。
[0017]圖3是利用本發(fā)明方法制備的密排柱狀晶陶瓷涂層表面圖。
[0018]圖4是利用本發(fā)明方法制備的密排柱狀晶陶瓷涂層截面圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0020]在帶熱障涂層鎳基高溫合金的工件I上利用激光重熔方法制備具有密排柱狀晶結構7的陶瓷涂層，工件I材料為鎳基高溫合金，型號為Inconel718，尺寸為50mmX IOOmmX 2mm,工件I表面涂有熱障涂層,熱障涂層包括粘結層2和陶瓷層3,粘結層2厚度約為0.1mm,陶瓷層3的厚度約為0.3mm，粘結層2材料為NiCoCrAlY,陶瓷層3材料為6% -8% Y2O3 的 ZrO20
[0021]參照圖1和圖2，一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝，包括下述步驟:
[0022]I)將帶熱障涂層的鎳基高溫合金工件I固定在激光重熔設備的夾具11上，夾具11下部與超聲波振動振子8相連，超聲波振動振子8固定在五軸運動工作臺12上，超聲波振動振子8和超聲波發(fā)生器9連接，五軸運動工作臺12和運動控制系統(tǒng)14連接，在工件I的上方設有高頻感應線圈4，高頻感應線圈4和調節(jié)高頻感應器10連接，在工件I上方設有激光頭5，激光頭5和激光器15連接，激光器15和激光控制系統(tǒng)13連接，激光器15中發(fā)射出的激光經(jīng)透鏡6聚焦后照射在陶瓷層3上，在工件I底部施加超聲波振動，超聲波振動的工作頻率為20KHz，
[0023]2) 在確保激光能全部重熔陶瓷涂層3的前提下，盡可能提高激光重熔效率，調節(jié)激光重熔參數(shù):調節(jié)激光單脈沖能量為7J，激光脈沖寬度為1ms，重復頻率為50HZ，激光光斑直徑為4mm ；
[0024]3)根據(jù)工件I的尺寸在運動控制系統(tǒng)14中編程激光重熔路線，本實例中，激光頭5固定不動，五軸運動工作臺12帶動夾具11運動，通過運動控制系統(tǒng)14實現(xiàn)掃描速度的精確控制，設定激光掃描速度為50mm/s、掃描方式為多道搭接法；
[0025]4)調節(jié)高頻感應器10的工作功率為25KW，本實例中高頻感應線圈4固定不動，高頻感應線圈4的移動速度靠五軸運動工作臺12的運動來實現(xiàn)，其運動與激光頭5的運動保持冋步；
[0026]5)先打開超聲波發(fā)生器9，給工件I施加超聲波振動，其次打開調節(jié)高頻感應器10，高頻感應加熱工件I，最后打開激光器15，打開運動控制系統(tǒng)14使五軸運動工作臺12按設定的編程路線運動，使其激光重熔與高頻感應加熱同步進行。
[0027]經(jīng)過上述激光重熔后，獲得具有密排柱狀晶結構的陶瓷涂層，如圖3、圖4，經(jīng)過激光重熔后的陶瓷涂層裂紋較少，柱狀晶組織均勻、細密，密排柱狀晶寬5 μ m左右。
【權利要求】
1.一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝，其特征在于，包括下述步驟: 1)將帶熱障涂層的鎳基高溫合金工件(I)固定在激光重熔設備的夾具(11)上，夾具(11)下部與超聲波振動振子(8)相連，超聲波振動振子(8)固定在五軸運動工作臺(12)上，超聲波振動振子(8)和超聲波發(fā)生器(9)連接，五軸運動工作臺(12)和運動控制系統(tǒng)(14)連接，在工件(I)的上方設有高頻感應線圈(4)，高頻感應線圈(4)和調節(jié)高頻感應器(10)連接，在工件⑴上方設有激光頭(5)，激光頭(5)和激光器(15)連接，激光器(15)和激光控制系統(tǒng)(13)連接，激光器(15)中發(fā)射出的激光經(jīng)透鏡(6)聚焦后照射在陶瓷層(3)上，在工件(I)底部施加超聲波振動，超聲波振動的工作頻率為15KHz~20KHz ； 2)在確保激光能全部重熔陶瓷涂層(3)的前提下，盡可能提高激光重熔效率，調節(jié)激光重熔參數(shù):調節(jié)激光單脈沖能量為7J~9J，激光脈沖寬度為Ims~1.5ms,重復頻率為60HZ~70HZ,激光光斑直徑為3mm~4mm ； 3)根據(jù)工件(I)的尺寸在運動控制系統(tǒng)(14)中編程激光重熔路線，設定激光掃描速度為30~50mm/s、掃描方式為多道搭接法； 4)調節(jié)高頻感應器(10)的工作功率為20KW~25KW，在運動控制系統(tǒng)(14)中設定高頻感應線圈(4)的移動速度，使其運動與激光頭(5)的運動保持同步； 5)先打開超聲波發(fā)生器(9)，給工件(I)施加超聲波振動，其次打開調節(jié)高頻感應器(10)，高頻感應加熱工件(I)，最后打開激光器(15)，打開運動控制系統(tǒng)(14)使五軸運動工作臺(12)按設定的編程路線運動，使其激光重熔與高頻感應加熱同步進行。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光重熔技術的密排柱狀晶陶瓷涂層的制備工藝，其特征在于:所制備的密排柱狀晶結構組織均勻、細密，密排柱狀晶寬I μ m~5 μ m。
【文檔編號】C23C26/02GK103993313SQ201410235362
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權日:2014年5月29日
【發(fā)明者】王恪典, 凡正杰, 梅雪松, 王文君, 段文強, 袁新, 高偉芳 申請人:西安交通大學