專利名稱：Pt改性的熱障涂層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在鎳基高溫合金表面制備Pt改性的Ni3Al+NiAl新型熱障涂層及其制備方法，屬于新材料制備及表面改性技術領域。
背景技術：
現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機向著大推力、高效率、低油耗以及長壽命的趨勢發(fā)展，使得渦輪發(fā)動機葉片的進氣溫度不斷提高。目前，推重比達到15以上的發(fā)動機的渦輪進ロ溫度高達2000で以上，這就要求渦輪葉片和導向葉片能夠在1400IC以上長期穩(wěn)定工作。為了滿足這ー要求，目前已經(jīng)開發(fā)出了五代高溫合金，但是由于受到 高溫合金自身熔點的限制，進ー步提高高溫合金工作溫度的空間已經(jīng)十分有限。因此，尋求新的冷卻技術和在高溫合金表面制備ー種既耐高溫又抗氧化的熱障涂層，來降低高溫合金表面的溫度以及防止高溫合金氧化，成為ー種行之有效的新技木。目前，采用隔熱層厚度為150 300 μω的熱障涂層并采用冷卻技術，可以使渦輪葉片表面的溫度降低150°C左右。研究表明，渦輪葉片表面的溫度每降低15 V ,葉片的蠕變壽命就可以延長一倍。熱障涂層(Thermal barrier coatings, TBCs)—般采用雙層結構，即表層的陶瓷層和中間的粘結層。其中陶瓷層一般為7~ 8wt% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷(YSZ)，一般通過大氣等離子噴涂(Air plasma spraying, APS)或者電子束物理氣相沉積(Electronbeam-physical vapor deposition,EB-PVD)的方法附著在粘結層表面。陶瓷層具有較低的熱導率，主要起隔熱作用，并且在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性好，同時陶瓷層內(nèi)部存在大量的空隙，因此具有較大的氧擴散系數(shù)，特別是通過電子束物理氣相沉積制備的陶瓷層，其結構為柱狀晶組織，各個柱狀晶之間存在大量的空隙，氧的擴散能力更強。因此，這就要求粘結層ー方面要改善高溫合金基體與陶瓷層的熱膨脹系數(shù)的不相匹配，另ー方面還必須具有非常好的抗氧化性能，才能保證高溫合金基體不被氧化，從而提高高溫合金的穩(wěn)定性，増加其使用壽命。粘結層的抗氧化機理是通過在高溫氧化氣氛中生成一層致密、連續(xù)的熱生長氧化物(Thermally grown oxide,簡稱TG0),以阻止環(huán)境中的氧進ー步向高溫合金擴散,從而保護高溫合金基體不被氧化，起到保護基體的作用。粘結層材料一般為MCrAlY (M是過渡金屬Ni、Co或者Ni+Co)、β -NiAl等。這些涂層由于鋁含量高，在高溫氧化環(huán)境中生成致密的、連續(xù)的α-Α1203層，能夠阻止氧進一歩向高溫合金內(nèi)部擴散，因此具有很好的抗氧化性能。熱障涂層的使用壽命與熱生長氧化層的生長速度、結構形式、組成成分以及陶瓷層和粘結層界面的形態(tài)、應カ分布有關系。目前熱障涂層的失效主要表現(xiàn)為熱生長氧化層附近的氧化鋯陶瓷發(fā)生脫落。研究表明，熱生長氧化層與陶瓷層界面存在顯著的不連續(xù)性，包括成分的不連續(xù)和熱膨脹系數(shù)的不連續(xù)，因此熱生長氧化層與陶瓷層之間存在殘余應力。隨著熱生長氧化層厚度不斷増加，殘余應カ也會不斷増加，同時也會導致粘結層中形成鋁元素貧化區(qū)，引起該區(qū)域鎳等元素的選擇性氧化，進一步增加了粘結層與陶瓷層之間的應力，最終導致涂層失效。因此，對粘結層進行改性，控制熱生長氧化層的生成速度，以及保證熱生長氧化層成分的連續(xù)性、完整性，對提高高溫合金的使用壽命具有重要意義。傳統(tǒng)的粘結層材料為MCrAH和鉬改性的β -NiAl涂層，這兩種涂層由于鋁含量高，在高溫氧化環(huán)境中能夠生成致密的Ci-Al2O3層，不過由于與高溫合金基體的鋁含量相差大，高溫條件下會引起粘結層中的鋁向基體擴散，發(fā)生β-NiAl — r' -Ni3Al的相變，這降低了粘結層與高溫合金基體的粘結性。因此，在單一粘結層涂層的基礎上研究出多層結構涂層，以解決粘結層與高溫合金基體之間由于鋁含量相差大而引起的粘結層不穩(wěn)定等問題。在高溫條件下，粘結層中的鉬能夠阻礙鋁原子向基體擴散，抑制粘結層中可能發(fā)生的β-NiAl — r' -Ni3Al相變，并且使涂層與基體之間出現(xiàn)“釘扎效應”，提高涂層與基體的結合強度，極大地提高了高溫合金的抗高溫氧化性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在研究出一種鉬改性的Ni3Al+NiAl新型熱障涂層，可以解決鋁原子向高溫合金基體擴散以及β -NiAl和r / -Ni3Al之間由于鋁原子活度的差異而引起的鋁原子擴散的問題，提高了涂層的粘結性能和穩(wěn)定性，并且通過Al2O3粉末轟擊粘結層表面，對粘結層表面進行改性處理，有利于粘結層在高溫氧化環(huán)境中生成連續(xù)、致密的熱生長氧化層。Pt改性的熱障涂層，其特征在于該熱障涂層包括
基體；
設置在所述基體上的β -NiAl層；
設置在所述β -NiAl層上的r ' -Ni3Al層；
設置在所述r / -Ni3Al層上的熱生長氧化層；
設置在所述熱生長氧化層的陶瓷層；
其中粘結層包括β -NiAl和r ' -Ni3Al,隔熱層為陶瓷層。所述的熱障涂層，基體材料為定向凝固鎳基高溫合金，具體成分如下
Al :4 6wt%
Cr 8 — 10wt%
Co 8 ~ 10wt%
Fe < I wt %
Mn < lwt%
V < lwt%
B < lwt%
P < lwt%
Si < lwt%
Ni :余量。所述的熱障涂層，陶瓷層材料為7 8wt% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷。選用鋁含量高的 r ' -Ni3Al+β-NiAl雙層結構熱障涂層。
本發(fā)明的制備工藝如下
1)用酒精和丙酮分別清洗鎳基高溫合金，并對鎳基高溫合金表面進行噴砂處理；
2)在鎳基高溫合金表面電鍍一層厚度為3 15ttm的鉬層；
3)將鍍鉬的高溫合金基體在800~ 1150 C的溫度下熱處理2飛h ；
4)采用粉末包埋法，將熱處理后的鎳基高溫合金包埋于裝有均勻混合滲劑的剛玉坩堝中，加熱到700 850°C，并保溫2~ 8h，進行第一段滲鋁處理；
5)采用粉末包埋法，將第一段滲鋁后的鎳基高溫合金包埋于裝有均勻混合滲劑和一種添加劑的剛玉坩堝中，加熱到800 960t,并保溫2 8h，進行第二段滲鋁處理；
6)采用真空封裝技術，將滲鋁后的鎳基高溫合金封裝到石英管中，加熱到1000 1200°C，并保溫2 6h ；
7)采用超音速冷氣噴射陶瓷顆粒轟擊表面法，用純度為99.99%、粒徑為10() 00目的Al2O3粉末作為轟擊材料，對粘結層進行表面改性，以改變粘結層表層的晶粒結構、應力狀態(tài)和表面形態(tài)；
8)采用等離子噴涂方法在噴射處理后的鎳基高溫合金表面噴涂沉積一層7 8%Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷，陶瓷層厚度為100 400 μη。所述的熱障涂層的制備方法，第一段滲鋁的滲劑成分如下所示
Al 6 — 12wt%
NH4Cl 2~ 10wt%
Al2O3 80 — 90wt%o第二段滲鋁的滲劑成分如下所示
Cr-Al 粉2 ~ 8wt%
NH4Cl 2~ 10wt%
Al2O3 90 ~ 96wt%0所述的熱障涂層的制備方法，用Al2O3粉末對粘結層表面進行改性。本發(fā)明制備的熱障涂層能夠很好地解決粘結層中的鋁原子向高溫合金基體擴散的問題，同時在高溫環(huán)境中形成完整、連續(xù)、致密的熱生長氧化層，提高了涂層的抗氧化性能和穩(wěn)定性。本發(fā)明的熱障涂層的作用機理如下
I)在高溫合金基體表面電鍍一層鉬，熱處理后鉬原子進入涂層中，在高溫條件下，鉬原子充當了鋁原子擴散的阻擋層，能夠有效阻止粘結層中鋁原子向高溫合金基體擴散。2)粘結層的結構為r' -Ni3Al+0-NiAl，在高溫氧化環(huán)境中，靠近陶瓷層的r' -Ni3Al會優(yōu)先形成熱生長氧化層，這樣就會消耗r' -Ni3Al中鋁原子。由于β-NiAl涂層中的鋁原子活度比r' -Ni3Al涂層中的鋁原子活度要高，所以β-NiAl中的鋁原子會向r' -Ni3Al擴散，充當形成熱生長氧化層的鋁源。當環(huán)境中的氧含量較高時，β-NiAl中有較多的鋁原子擴散到r' -Ni3Al中，形成熱生長氧化層；當環(huán)境中的氧含量較低時，β -NiAl擴散到r ' -Ni3Al中的鋁原子的數(shù)量相應地降低，從而控制氧化過程中熱生長氧化層的生長速率和厚度，有利于形成連續(xù)、致密的熱生長氧化層，提高粘結層的穩(wěn)定性。本發(fā)明的熱障涂層的優(yōu)點如下
I)涂層的抗氧化性好。采用-Ni3Al+β-NiAl雙層結構，能夠形成連續(xù)、致密、可控的熱生長氧化層，有效阻止了氧進一歩向高溫合金基體擴散。2)涂層的粘結性能優(yōu)異。r' -Ni3Al的粘結性優(yōu)于β-NiAl，能夠更好地改善涂層的粘結性能。3)通過對粘結層表面進行改性，保證生成致密、連續(xù)的熱生長氧化層。


下面是對具體的實施例進行了詳細說明，根據(jù)附圖，本發(fā)明的原理及特點可簡要概括如下
圖I是典型的熱障涂層結構示意圖。圖2是本發(fā)明中的熱障涂層示意圖。圖3是鋁擴散的原理示意圖。
具體實施例方式實施例一
具體實施步驟如下
I)選取鎳基高溫合金作為基體，將其線切割成10 X 5 X 3mm3的薄片狀，然后噴砂處理打磨樣品表面，在超聲波清洗機中分別用酒精和丙酮清洗半小時，清洗完畢后用吹風機吹干。2)在清洗干凈的樣品表面電鍍ー層厚度為6 μιη的鉬，然后將鍍鉬的高溫合金基體在1150°C下熱處理2小時。3)把均勻混合的滲劑裝入剛玉坩堝中，滲劑成分為8wt% Al、2wt% NH4Cl和90wt%Al2O30將熱處理后的高溫合金基體放入裝有均勻混合滲劑的坩堝中，保證高溫合金周圍完全被滲劑包覆，并用高溫耐火泥密封坩堝。將密封好的坩堝放入馬弗爐中，加熱到800 t,保溫2小時，并通入惰性氣體，進行第一段滲鋁處理。4)將滲鋁后的高溫合金基體放入裝有均勻混合滲劑的剛玉坩堝中，滲劑成分為2wt%Cr- Al粉、2wt% NH4Cl和96wt% Al2O3，重復上述操作，在900 TC下保溫2小時，進行第ニ段滲鋁處理。5)將滲鋁后的高溫合金放入石英管中，真空密封，將石英管放入馬弗爐中，加熱到1100°C，并保溫6小吋，進行熱處理。實施例ニ
在清洗干凈的樣品表面電鍍ー層厚度為12 μιη的鉬，重復上述鉬擴散エ藝、滲鋁エ藝和熱處理工藝。實施例三
在清洗干凈的樣品表面電鍍ー層厚度為6 μη的鉬 ，重復上述鉬擴散エ藝、滲鋁エ藝和熱處理工藝，其中第一段法滲鋁的滲劑成分為10wt% Al、2wt% NH4Cl和88wt% Al2O3，第二段法滲鋁的滲劑成分為4wt% Cr-Al粉、2wt% NH4Cl和94wt% A1203。
權利要求
1.Pt改性的熱障涂層，其特征在于該熱障涂層包括 基體； 設置在所述基體上的β -NiAl層； 設置在所述β -NiAl層上的r ' -Ni3Al層； 設置在所述r / -Ni3Al層上的熱生長氧化層； 設置在所述熱生長氧化層的陶瓷層； 其中粘結層包括β -NiAl和r ' -Ni3Al,隔熱層為陶瓷層。
2.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層，其特征在于基體材料為定向凝固鎳基高溫合金，具體成分如下Al -A ~ 6wt%Cr 8 - 10wt%Co 8 ~ 10wt%Fe < I wt %Mn < lwt%V < lwt%B < lwt%P < lwt% Si < lwt% Ni :余量。
3.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層，其特征在于陶瓷層材料為7~8wt% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷。
4.根據(jù)權利要求I所述的熱障涂層，其特征在干選用鋁含量高的r ' -Ni3Al+β-NiAl雙層結構熱障涂層。
5.Pt改性的熱障涂層的制備方法，其特征在于該方法具有以下步驟 1)用酒精和丙酮分別清洗鎳基高溫合金，并對鎳基高溫合金表面進行噴砂處理； 2)在鎳基高溫合金表面電鍍厚度為3~ 15 μπι的鉬層； 3)將鍍鉬的高溫合金基體在800~ 1150°C溫度下熱處理2 ~ 6h ; 4)采用粉末包理法，將熱處理后的鎳基高溫合金包埋于裝有均勻混合滲劑的剛玉坩堝中，加熱到700 ~ 850°C，并保溫2~ 8h，進行第一段滲鋁處理； 5)采用粉末包理法，將第一段滲鋁后的鎳基高溫合金包埋于裝有均勻混合滲劑的剛玉坩堝中，加熱到800~ 960°C，并保溫2 8h，進行第二段滲鋁處理； 6)采用真空封裝技木，將滲鋁后的鎳基高溫合金封裝到石英管中，加熱到800~1200°C，并保溫 2~ 6h ； 7)采用超音速冷氣噴射陶瓷顆粒轟擊表面法，用純度為99.99%、粒徑為100 ~ 300目的Al2O3粉末作為轟擊材料，對粘結層的表面進行改性；8)采用大氣等離子噴涂法在鎳基高溫合金表面沉積ー層7~8% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷，陶瓷層厚度為100- 400 μ 。
6.根據(jù)權利要求5所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于采用粉末包埋法。
7.根據(jù)權利要求5所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于采用兩段法分別滲鋁。
8.根據(jù)權利要求5所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于第一段滲鋁的滲劑成分如下所示Al :6 ~ 12wt%NH4Cl 2~ 10wt%Al2O3 80 ~ 90wt%o
9.根據(jù)權利要求5所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于第二段滲鋁的滲劑成分如下所示Cr-Al 粉2 ~ 8wt%NH4Cl 2~ 10wt%Al2O3 90 ~ 96wt%0
10.根據(jù)權利要求5所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于用Al2O3粉末對粘結層表面進行改性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在鎳基高溫合金表面制備Pt改性的Ni3Al+NiAl新型熱障涂層及制備工藝。該熱障涂層以鎳基高溫合金為基體材料，通過在基體表面電鍍一層鉑，然后在高溫下熱處理達到對涂層的改性；采用粉末包埋法和兩段法滲鋁，制備出具有雙層粘結層結構的涂層；采用真空封裝技術，對涂層進行高溫熱處理，制備出厚度均勻的涂層；采用等離子噴涂方法在鎳基高溫合金表面噴涂沉積一層7~8%Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷。制備出的涂層具有良好的抗氧化性能、粘結性能和高溫熱穩(wěn)定性，能夠延長高溫合金的使用壽命。
文檔編號C23C4/12GK102615914SQ20121007863
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權日2012年3月23日
發(fā)明者付超, 操光輝 申請人:上海大學