单晶涡轮叶片高质量热障涂层激光重熔制备机理与工艺研究

Considering the recent new theories, new materials and new technologies in thermal barrier coatings (TBCs) manufacture, and facing the urging demand to produce high-qualiy TBCs on single-crystal turbine blade, this program focuses on the laser remelting technology for its promising value, to study its flaw mechanism and the way to eliminate the flaws. We plan to eliminate the flaws by multi-remelting with different parameters to change the structure of TBCs. This is a new technology to create TBCs of high stability. In the process, we will combine the theory and experiment method to study the relationship between TBCs structure and its property, enlightening the mechanism of the TBCs structure,porosity,bond force and the network of cracks with laser parameters and other assisting parameters.Three methods will be used to produce high quality TBCs,they are: creation of pre-oxidated layer on bond coating with laser modification, synchronization of radio-frequency preheating and laser remelting, creation of amorphous layer on top ceramic layer by laser glazing. And these methods are to be used to produce TBCs on real single-crystal turbine blade.

本项目结合当前热障涂层制备中的新理论新材料和新方法，面向国内航空发动机及大型动力装备制造业对单晶涡轮叶片的迫切需求，针对目前热障涂层制备方法中存在的涂层稳定性不足、过早剥落失效等问题，提出利用激光多层重熔方法改变涂层结构，并研究激光重熔制备热障涂层中缺陷的产生机理与消除机制，提高热障涂层的使用寿命和性能，形成一套全新的在单晶涡轮叶片上利用激光重熔制备高性能热障涂层的理论和工艺方法。项目集理论与实验研究于一体，研究激光制备热障涂层结构与热障性能和使用寿命的关系，揭示不同激光参数及辅助工艺参数对涂层晶体结构、孔隙率、界面结合力、表面裂纹等的影响规律，提出利用激光在粘结层预制氧化层、利用高频预热与激光同步重熔、利用激光在陶瓷层表面生成非晶密封层等方法，实现单晶镍基合金叶片高性能热障涂层的激光重熔制备。

本项目结合我国在航空发动机领域的重大需求，在单晶镍基合金上制备高寿命高可靠性热障涂层机理的研究工作。在避免单晶基体热损伤的前提下进行激光重熔热障涂层的表面分段裂纹的综合调控，使其具有优异的抗高温热冲击、腐蚀、氧化等综合性能。为此，采取高频感应预热-激光重熔的复合工艺研究单晶再结晶的抑制、分段裂纹调控、重熔组织优化等问题；对激光重熔工艺参数进行优化并研究其对分段裂纹、柱状晶结构、相结构的影响规律，研究分段裂纹和柱状晶结构对涂层抗热震性能的影响规律；利用超声振动-激光重熔的复合工艺方法对分段裂纹的形成作进一步综合优化调控，并研究涂层高温腐蚀性能与分段裂纹的关系；对表面分段裂纹进行自愈合修复探索研究，研究裂纹修复对涂层抗高温氧化性的影响，全面提高重熔涂层的抗高温氧化性能。结果表明，预热能有效将粘结层/基体(BC/substrate)界面附近的温度降低近100℃-300℃，温度梯度降低2-3倍，减小了变形层发生单晶再结晶的驱动力，同时预热对变形层及单晶晶格组织起到有效的回复作用，避免了激光重熔TBCs时单晶基体的晶格畸变、胞状再结晶等缺陷。自愈合密封的重熔TBCs经100h高温氧化后，TBC/BC能形成一层连续致密的TGO氧化防护层，界面结合良好，氧化指数高达2.5068，与未进行密封处理的重熔TBCs相比抗高温氧化性能提高了一倍之多。本项目的完成将有力地提升我国在该领域的研究水平，推动激光重熔技术在热障涂层制备中的应用，对我国航空发动机和重型燃气轮机关键零件的制造和技术提升有重要意义。在项目研究期间，全面完成了项目计划的预期研究内容和指标，论文发表及专利等成果也达到要求，共计发表高水平SCI论文7篇，获得2项国家授权发明专利，另外培养1名博士研究生、1名在读博士研究生、1名在读硕士研究生。