專利名稱：Pt+Si改性的β-NiAl熱障涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在鎳基高溫合金表面制備Pt+Si改性的P -NiAl熱障涂層及其制備方法，屬于涂層制備及表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)發(fā)展，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向著高流量比、高推重比和高渦輪進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，這對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)組的高溫部件(如渦輪葉片)提出了越來(lái)越高的耐高溫、耐腐蝕要求，而傳統(tǒng)的高溫合金已經(jīng)無(wú)法滿足要求。目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)組的進(jìn)口溫度高達(dá)1700'C ,葉片等高溫部件的工作溫度已經(jīng)達(dá)到12001,這已經(jīng)接近或者超過(guò)了高溫合金的熔點(diǎn)范圍。因此，開發(fā)新的應(yīng)用于極端環(huán)境中的高溫合金的潛力已經(jīng)十分有限，由此人們開始研究開發(fā)降低發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件表面溫度的技術(shù)。除了傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)外，在高溫合金表面制備出一層熱障涂層成為研究的熱點(diǎn)。熱障涂層(Thermal barrier coatings, TBCs)的結(jié)構(gòu)類型主要分為雙 層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)。雙層結(jié)構(gòu)主要由陶瓷層和粘結(jié)層組成，該涂層結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，但是粘結(jié)層與陶瓷層的熱膨脹系數(shù)在界面處躍遷大，在熱載荷條件下，容易在涂層內(nèi)部產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而導(dǎo)致涂層脫落；多層結(jié)構(gòu)一般由陶瓷層、粘結(jié)層、阻氧層、抗腐蝕層和擴(kuò)散阻擋層組成，多層結(jié)構(gòu)涂層能夠有效阻止涂層的氧化，以及在高溫環(huán)境中，阻止一些腐蝕性氣體對(duì)基體的侵蝕；梯度結(jié)構(gòu)是由多層陶瓷層和粘結(jié)層交替疊加而成的，梯度結(jié)構(gòu)涂層能夠有效緩解由于金屬材料與陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的涂層內(nèi)部的熱應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性。實(shí)際應(yīng)用的典型熱障涂層主要是雙層結(jié)構(gòu)，包括表層的7 ~ 8% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷(YSZ)，此外還包括陶瓷層與高溫合金基體之間起粘結(jié)作用的粘結(jié)層 (Bond coat,BC)。熱障涂層的主要作用是在高溫氧化環(huán)境中，利用陶瓷材料的高熔點(diǎn)、耐高溫、高溫穩(wěn)定性好以及低的熱導(dǎo)率等特性，減弱向基體的熱量傳遞，使高溫合金基體的工作溫度降低，以及利用粘結(jié)層形成的熱生長(zhǎng)氧化層阻止環(huán)境中的氧向高溫合金基體擴(kuò)散，來(lái)提高高溫合金的使用壽命。陶瓷層一般為7 8wt% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷,可通過(guò)大氣等離子噴涂(Air plasma spraying, APS)或者電子束物理氣相沉積(Electron beam-physical vapor deposition, EB-PVD)的方法附著在粘結(jié)層表面。粘結(jié)層材料一般為MCrAH(M是過(guò)渡金屬Ni、Co或者Ni+Co)、^ -NiAl等。這些涂層由于鋁含量高，在高溫氧化環(huán)境中能夠生成致密的a -Al2O3,即熱生長(zhǎng)氧化層(Thermally grown oxide, TG0),能夠阻止氧進(jìn)一步向高溫合金內(nèi)部擴(kuò)散,起到保護(hù)高溫合金基體的作用。引起熱障涂層失效的主要因素包括涂層間的熱膨脹系數(shù)不匹配、高溫氧化環(huán)境中元素氧化以及由此引起的合金成分的變化、涂層的相變等。熱障涂層的失效主要表現(xiàn)在粘結(jié)層和熱生長(zhǎng)氧化層。由于粘結(jié)層與陶瓷層本身由于熱膨脹系數(shù)不匹配，在高溫環(huán)境中容易產(chǎn)生熱應(yīng)力而失效。在高溫氧化環(huán)境中粘結(jié)層中會(huì)形成熱生長(zhǎng)氧化層，隨著熱生長(zhǎng)氧化層厚度的不斷增加，在其附近區(qū)域會(huì)產(chǎn)生貧鋁區(qū)，從而導(dǎo)致該區(qū)域的鎳等元素選擇性氧化而形成大的氧化物顆粒，這些大的氧化物顆粒的生成，會(huì)嚴(yán)重影響涂層的粘結(jié)性能和抗氧化性能，從而導(dǎo)致涂層失效。研究表明，粘結(jié)層材料的成分和組成對(duì)熱生長(zhǎng)氧化層的形成速度、成分、完整性以及粘結(jié)性和剝落行為等都起著決定作用，而熱生長(zhǎng)氧化層對(duì)涂層的性能起著重要作用。因此通過(guò)對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行改性，進(jìn)而控制熱生長(zhǎng)氧化層的結(jié)構(gòu)和相組成，來(lái)提高涂層的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在研究出一種Pt+Si改性的P-NiAl熱障涂層，通過(guò)鉬對(duì)粘結(jié)層的改性， 從而解決了粘結(jié)層中的鋁原子向基體擴(kuò)散的問(wèn)題，并且通過(guò)在粘結(jié)層加入改性元素硅，使得熱生長(zhǎng)氧化層由單一 a-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Al2O3和a-SiO2雙相結(jié)構(gòu)，提高了涂層的抗氧化性能、抗熱震性、抗腐蝕性能和粘結(jié)性能。Pt+Si改性的P -NiAl熱障涂層，其特征在于該熱障涂層從基體開始，依次為粘結(jié)層、熱生長(zhǎng)氧化層和陶瓷層。所述的熱障涂層，基體材料為鎳基高溫合金，主要成分為鎳、 鉻、鈷、招元素,具體成分如下
Al :4 6wt%
Cr :8 10wt%
Co :8 10wt%
Fe < lwt%
Mn < lwt%
V < lwt%
B < I wt%
S < lwt%
Si < lwt%
P < lwt%
Ni :余量。所述的熱障涂層，粘結(jié)層材料為鎳和鋁形成的金屬間化合物0-NiAl。改性元素鉬固溶于涂層中。熱生長(zhǎng)氧化層為雙相結(jié)構(gòu)，由靠近陶瓷層的a-SiO2和靠近粘結(jié)層的 a -Al2O3組成。陶瓷層材料為7 8wt% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷。粘結(jié)層的厚度不超過(guò)100 ,。 粘結(jié)層中固溶有非金屬元素硅，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行改性。固溶有硅元素的粘結(jié)層厚度為5 12 tim。 熱生長(zhǎng)氧化層厚度為廣15 陶瓷層為柱狀晶組織，具有垂直于基體表面的裂紋。陶瓷層厚度為100 400網(wǎng)I。本發(fā)明的制備方法如下
1)用酒精和丙酮分別清洗鎳基高溫合金，并對(duì)鎳基高溫合金表面進(jìn)行噴砂處理；
2)在鎳基高溫合金表面電鍍一層厚度為3 15m的鉬；
3)將鍍鉬的高溫合金基體在800 1150TC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70(T850 t,并保溫2 8h，進(jìn)行第一段滲鋁處理；
5)采用粉末包埋法，將第一段滲鋁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90(T1200 X:,并保溫2 8h，進(jìn)行第二段滲硅處理；
6)采用真空封裝技術(shù)，將滲硅后的鎳基高溫合金封裝到石英管中，加熱到8001200TC, 并保溫2 6h ；
7)采用等離子噴涂方法在熱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 urn。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 8"l2wt%
NH4Cl :2 6wt%
Al2O3:80 96wt%。第二段滲硅的滲劑成分如下所示
NH4Cl 2"l0wt%
Al2O3 80"96wt%
Si 0. 5 3wt%。本發(fā)明的熱障涂層的作用機(jī)理如下
I)在高溫合金基體表面電鍍一層鉬，熱處理后鉬原子固溶體于涂層中。在高溫條件下，鉬原子使涂層與基體之間出現(xiàn)“釘扎效應(yīng)”，能夠阻止粘結(jié)層中鋁原子向高溫合金基體擴(kuò)散，有利于熱生長(zhǎng)氧化層的形成，并抑制了貧鋁區(qū)的產(chǎn)生，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度， 極大地提高了高溫合金的抗高溫氧化性能。2)通過(guò)對(duì)P -NiAl的改性，硅原子固溶到P -NiAl表面，高溫氧化環(huán)境中，氧原子穿過(guò)陶瓷層擴(kuò)散到粘結(jié)層表面，首先與P -NiAl表面的硅原子反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)致密、連續(xù)的 a -SiO2,阻礙氧原子向基體的擴(kuò)散；當(dāng)粘結(jié)層表面的硅原子耗盡后，氧原子會(huì)與P -NiAl中的鋁原子發(fā)生反應(yīng)，生成致密的a-Al2O3，阻礙了氧原子向高溫合金基體的進(jìn)一步擴(kuò)散。3)在高溫氧化環(huán)境中形成了 a -Al2O3+a -SiO2的熱生長(zhǎng)氧化層雙層結(jié)構(gòu)，由于生成的a-SiO2熔點(diǎn)高、受熱后體積變化小，提高了粘結(jié)層的穩(wěn)定性，并且能夠阻礙環(huán)境中的熱量向高溫合金基體的傳遞；a -Al2O3和a -SiO2的晶體結(jié)構(gòu)相同，降低了界面處的應(yīng)力， 提聞了涂層的熱穩(wěn)定性。4)采用兩段法分別滲鋁和滲硅，能夠精確控制涂層的相組成。


圖I是熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中的熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是熱生長(zhǎng)氧化層的形成示意圖。圖4是改性熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一
具體步驟如下
I)選取鎳基高溫合金作為基體，將其線切割成10X5X3 mm3的薄片，然后噴砂處理打磨樣品表面，在超聲波清洗機(jī)中分別用酒精和丙酮清洗半小時(shí)，清洗完畢后用吹風(fēng)機(jī)吹干。2)在清洗干凈的樣品表面電鍍一層厚度為8 trni的鉬，然后將電鍍好的高溫合金基體在1150°C下熱處理2小時(shí)。3)把均勻混合的滲劑裝入剛玉坩堝中，滲劑成分為8wt% Al、2 wt% NH4Cl和90 wt% 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 I,保溫 2小時(shí)，并通入惰性氣體，進(jìn)行第一段滲鋁處理。4)將第一段滲鋁處理后的高溫合金基體放入裝有均勻混合滲劑的坩堝中，滲劑成分為lwt% Si,2 wt% NH4Cl和97wt% Al2O3，重復(fù)上述操作，在95(TC下保溫2小時(shí)，進(jìn)行第二段滲硅處理。5)將滲硅后的高溫合金裝入石英管中，真空密封，將石英管放入馬弗爐中，加熱到 IIOOC,并保溫6小時(shí)，進(jìn)行熱處理。
實(shí)施例二
在清洗干凈的樣品表面電鍍一層厚度為8 xm的鉬，重復(fù)上述滲鋁工藝、滲硅工藝、熱處理工藝，其中第一段滲鋁的滲劑成分為8wt% Al,2 wt% NH4Cl和90 wt% Al2O3，第二段滲硅的滲劑成分為 2wt% Si、2 wt% NH4Cl 和 96wt% A1203。
權(quán)利要求
1.Pt+Si改性的P -NiAl熱障涂層，其特征在于該熱障涂層從基體開始，依次為粘結(jié)層、熱生長(zhǎng)氧化層和陶瓷層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱障涂層，其特征在于基體材料為鎳基高溫合金，主要成分為鎳、鉻、鈷、招元素,具體成分如下Al :4 6wt%Cr :8 10wt%Co :8 10wt%Fe < lwt%Mn < lwt%V < lwt%B < I wt%S < lwt%Si < lwt%P < lwt%Ni :余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱障涂層，其特征在于粘結(jié)層材料為鎳和鋁形成的金屬間化合物P-NiAl。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱障涂層，其特征在于改性元素鉬固溶于涂層中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱障涂層，其特征在于熱生長(zhǎng)氧化層為雙相結(jié)構(gòu)，由靠近陶瓷層的a-SiO2和靠近粘結(jié)層的a-Al2O3組成。
6.根據(jù)權(quán)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。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱障涂層，其特征在于粘結(jié)層的厚度不超過(guò)100[am o
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱障涂層，其特征在于粘結(jié)層中固溶有非金屬元素硅，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行改性。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱障涂層，其特征在于固溶有硅元素的粘結(jié)層厚度為5 12\m, o
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱障涂層，其特征在于熱生長(zhǎng)氧化層厚度為fl5Mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱障涂層，其特征在于陶瓷層為柱狀晶組織，具有垂直于基體表面的裂紋。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱障涂層，其特征在于陶瓷層厚度為10(T400pm。
13.Pt+Si改性的P-NiAl熱障涂層的制備方法，其特征在于該方法具有以下工藝步驟1)用酒精和丙酮分別清洗鎳基高溫合金，并對(duì)鎳基高溫合金表面進(jìn)行噴砂處理；2)在鎳基高溫合金表面電鍍一層厚度為3 15pm的鉬；3)將鍍鉬的高溫合金基體在800 11501C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70(T850 -C，并保溫2 8h，進(jìn)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的剛玉坩堝中，加熱到80(Tiooo r,并保溫2 8h，進(jìn)行第二段滲硅處理；6)采用真空封裝技術(shù)，將滲硅后的鎳基高溫合金封裝到石英管中，加熱到800 12001 并保溫2 6h ；7)采用等離子噴涂方法在熱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200 400 。
14.根據(jù)權(quán)利要求13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 8"l2wt%NH4Cl :2 6wt%Al2O3:80 96wt%。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于第二段滲硅的滲劑成分如下所示NH4Cl 2"l0wt%Al2O3 80"96wt%Si 0. 5 3wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在鎳基高溫合金表面制備Pt+Si改性的β-NiAl熱障涂層及制備方法。該熱障涂層以鎳基高溫合金為基體材料，通過(guò)在基體表面電鍍一層鉑，然后在高溫下熱處理達(dá)到對(duì)涂層的改性；通過(guò)包埋法分步滲鋁和滲硅，制備出改性的涂層；采用真空封裝技術(shù)，對(duì)涂層進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，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和粘結(jié)性能，能夠延長(zhǎng)高溫合金的使用壽命。
文檔編號(hào)C23C10/50GK102615876SQ20121007870
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者付超, 操光輝 申請(qǐng)人:上海大學(xué)