[0001] 本发明属于表面涂层的制备技术领域，具体涉及一种水冷式激光复合热喷涂涂层的制备方法。

[0002] 热障涂层(TBCs)是一种重要的隔热防热系统，为航空航天发动机、燃气轮机等工业汽轮机表面建立一道保护屏障。但是由于激光复合热喷涂工艺的局限性，涂层制备过程基体不断升温，内部热应力不断增大，使得涂层产生不同程度的气孔、裂纹甚至开裂。因此，亟需设计一种适用于高温合金基体的冷却装置，以实现高致密性热障涂层制备。目前，等离子喷涂、电弧喷涂和火焰喷涂是应用广泛的热喷涂技术。

[0003] 等离子喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、金属等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，使高速粒子撞击在工件表面而形成附着牢固的涂层的方法。此工艺可在保持材料原始力学性能的同时，显著提升整体零件的目标性能。此外，等离子喷涂工艺具有对基材尺寸效应限制小、材料选择范围广及涂层制备性能好等诸多优势。等离子喷涂工艺作为一种制备耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能涂层的核心技术，广泛应用于医疗、航天工程及军工等领域，特别是航空领域中的热端部件。

[0004] 激光复合热喷涂技术，在等离子喷涂过程中同步对基体表面发射连续激光束流，调控热喷涂颗粒沉积前的颗粒温度，以获得粒子间充分冶金结合的高致密性涂层。其主要特点如下：

[0005] (1)激光束提高颗粒温度的同时颗粒的熔融态和半熔融态，以获得孔隙率较低的高致密性涂层。

[0006] (2)形成的分层结构和垂直裂纹可提高涂层的应变容限能力，从而显著提高涂层的综合性能。

[0007] (3)热影响区小，有效降低表面粗糙度和涂层孔隙率，未经后处理可直接使用。

[0008] 冷却装置缓解了基体在涂层制备过程中的升温，起到过热保护作用，基体在高温下内部热应力较大，涂层在沉积过程中易开裂失效。采用水泵组成的水冷系统具备良好的水冷效果，可以从基体背面降低整体温度，缓解涂层制备过程热应力的累积，以获得与基体结合效果良好的优良涂层。

[0009] 可喷涂的涂层材料极为广泛，激光复合热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、复合材料等。常见的有镍基粉、钼粉、铝锌及其合金粉、铜合金。

[0032] 下面结合附图，通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

[0033] 以下实施例中，

[0034] 镍基高温合金试样是由上海山雄特殊钢有限公司提供的Inconel718镍基高温合金。Inconel718合金是含铌、钼的沉淀硬化型合金，基体试样尺寸为20mm*20mm*8mm。

[0035] 喷涂材料NiCrAlY来自北京桑斯普瑞新材料有限公司，其粒径分布为5～60μm。

[0036] 8YSZ(8％氧化钇稳定的氧化锆)来自北京桑斯普瑞新材料有限公司，其粒径分布大致为15～45μm。

[0037] 钼(Mo)粉，其纯度≥99.9％，粒度范围15～45μm，由长沙中兴股份有限公司提供。

[0038] Al2O3氧化铝颗粒(Al2O3)：纯度≥99.3％，粒度为60～110μm，由天津市科密欧化学试剂有限公司生产。

[0039] 实施例1

[0040] 步骤一：将镍基高温合金试样(20*20*8cm)放在无水乙醇中超声清洗15分钟，用吹风机进行干燥，然后对其表面进行喷砂处理；

[0041] 步骤二：将处理好的基体置于夹具中固定，放置在工作台上，基体背面固定冷却装置，采用等离子焰流对基体进行预热，预热处理控制基体样品温度在100℃，处理时间10s；

[0042] 步骤三：本实施例采用水冷式激光复合热喷涂制备NiCrAlY、YSZ复合涂层，涂层厚度为1：3；同时在无水冷条件下激光复合热喷涂制备NiCrAlY、YSZ复合涂层。大气等离子喷涂工艺参数为：功率为35kW，喷涂距离为110mm，扫描速度为100mm/s，等离子喷枪送粉速率为25g/min，主气氩气流量为45L/min，次气氢气流量为3L/min，激光功率1200W，冷却水流量15L/h，冷却水温度25℃，以保证基体温度不超过200℃。

[0043] 本实施例制备的激光复合等离子喷涂涂层，NiCrAlY层厚度接近100μm，YSZ层厚度接近300μm，如图2所示，激光复合等离子喷涂涂层存在明显的孔隙、微裂纹等缺陷。水冷式激光复合等离子喷涂涂层如图3所示。涂层结构更为致密、孔隙率明显降低，内部裂纹消失。可证明水冷式激光复合等离子喷涂有利于热应力释放，阻止涂层开裂。水冷条件下制备的涂层孔隙率下降了15％，有效阻挡氧扩散的能力比无水冷条件下制备的涂层提高。

[0044] 实施例2

[0045] 步骤一：将镍基高温合金试样(20*20*8cm)放在无水乙醇中超声清洗15分钟，用吹风机进行干燥，然后对其表面进行喷砂处理；

[0046] 步骤二：将处理好的基体置于夹具中固定，放置在工作台上，基体背面固定冷却装置，采用等离子焰流对基体进行预热，预热处理控制基体样品温度在100℃，处理时间10s；

[0047] 步骤三：本实施例采用无水冷式激光复合热喷涂制备Mo涂层，涂层厚度接近200μm，如图4所示；在水冷条件下激光复合热喷涂制备Mo涂层，涂层厚度接近200μm，如图5所示。大气等离子喷涂工艺参数为：功率为30kW，喷涂距离为120mm，扫描速度为100mm/s，等离子喷枪送粉速率为24g/min，主气氩气流量为50L/min，次气氢气流量为6.5L/min，激光功率
1200W，冷却水流量15L/h，冷却水温度25℃，以保证基体温度不超过200℃。

[0048] 本实施例激光复合等离子喷涂涂层的方法与实施例1方法相同，其中不同之处在于：采用的喷涂粉末不同，工艺参数不同。水冷条件下制备的涂层孔隙率下降了5％，致密性得到明显地提高，涂层间结合强度提高。

[0049] 实施例3

[0050] 步骤一：将镍基高温合金试样(20*20*8cm)放在无水乙醇中超声清洗15分钟，用吹风机进行干燥，然后对其表面进行喷砂处理；

[0051] 步骤二：将处理好的基体置于夹具中固定，放置在工作台上，基体背面固定冷却装置，用等离子焰流对基体进行预热，预热处理控制基体样品温度在100℃，处理时间10s；

[0052] 步骤三：本实施例采用无水冷式激光复合等离子喷涂制备Al2O3涂层，涂层厚度接近300μm；在水冷条件下激光复合等离子喷涂制备Al2O3涂层，涂层厚度接近300μm。大气等离子喷涂工艺参数为：功率为30kW，喷涂距离为120mm，扫描速度为100mm/s，等离子喷枪送粉速率为24g/min，主气氩气流量为50L/min，次气氢气流量为6.5L/min，激光功率1200W，冷却水流量15L/h，冷却水温度25℃，以保证基体温度不超过200℃。

[0053] 本实施例制备涂层的方法与实施例2方法相同，其中不同之处在于：所获得的涂层厚度不同，种类不同。通过截面SEM分析可知，本实施例水冷条件下制备的涂层孔隙率可证明水冷式激光复合等离子喷涂制备的涂层具有高致密性。

[0054] 对比例1

[0055] 步骤一：将镍基高温合金试样(20*20*8cm)放在无水乙醇中超声清洗15分钟，用吹风机进行干燥，然后对其表面进行喷砂处理；

[0056] 步骤二：将处理好的基体置于夹具中固定，放置在工作台上，基体背面固定冷却装置，采用等离子焰流对基体进行预热，预热处理控制基体样品温度在100℃，处理时间10s；

[0057] 步骤三：本实施例采用氮气背冷式激光复合热喷涂制备NiCrAlY、YSZ复合涂层，涂层厚度为1：3。大气等离子喷涂工艺参数为：功率为35kW，喷涂距离为110mm，扫描速度为100mm/s，等离子喷枪送粉速率为25g/min，主气氩气流量为45L/min，次气氢气流量为3L/min，激光功率1200W，冷却气通量10L/min，冷却气温度25℃，以保证基体温度不超过200℃。

[0058] 本实例制备的激光复合等离子喷涂涂层，NiCrAlY层厚度接近100μm，YSZ层厚度接近300μm，如图6所示。相较于无水冷式激光复合等离子喷涂涂层，氮气背冷式激光复合等离子喷涂涂层涂层结构较为致密、孔隙率较低，内部裂纹较少。相较于水冷式激光复合等离子喷涂涂层，水冷式激光复合等离子喷涂涂层涂层结构更为致密、孔隙率降低，内部裂纹消失。可证明水冷式激光复合等离子喷涂有利于热应力释放，阻止涂层开裂。