CN102615876A

CN102615876A - Pt+Si改性的β-NiAl热障涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102615876A
Application number: CN2012100787037A
Authority: CN
Inventors: 付超; 操光辉
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明涉及一种在镍基高温合金表面制备Pt+Si改性的β-NiAl热障涂层及制备方法。该热障涂层以镍基高温合金为基体材料，通过在基体表面电镀一层铂，然后在高温下热处理达到对涂层的改性；通过包埋法分步渗铝和渗硅，制备出改性的涂层；采用真空封装技术，对涂层进行高温热处理，制备出厚度均匀的涂层；采用等离子喷涂方法在镍基高温合金表面喷涂沉积一层7~8%Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷。制备出的涂层具有良好的抗氧化性能和粘结性能，能够延长高温合金的使用寿命。

Description

Pt+Si改性的β-NiAl热障涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种在镍基高温合金表面制备Pt+Si改性的β-NiAl热障涂层及其制备方法，属于涂层制备及表面改性技术领域。

技术背景

随着航天技术发展，航空涡轮发动机向着高流量比、高推重比和高涡轮进口温度的方向发展，这对航空发动机组的高温部件（如涡轮叶片）提出了越来越高的耐高温、耐腐蚀要求，而传统的高温合金已经无法满足要求。目前先进发动机的燃气发动机组的进口温度高达1700

，叶片等高温部件的工作温度已经达到1200

，这已经接近或者超过了高温合金的熔点范围。因此，开发新的应用于极端环境中的高温合金的潜力已经十分有限，由此人们开始研究开发降低发动机高温部件表面温度的技术。除了传统的冷却技术外，在高温合金表面制备出一层热障涂层成为研究的热点。

热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）的结构类型主要分为双层结构、多层结构和梯度结构。双层结构主要由陶瓷层和粘结层组成，该涂层结构制备工艺简单，但是粘结层与陶瓷层的热膨胀系数在界面处跃迁大，在热载荷条件下，容易在涂层内部产生很大的应力，而导致涂层脱落；多层结构一般由陶瓷层、粘结层、阻氧层、抗腐蚀层和扩散阻挡层组成，多层结构涂层能够有效阻止涂层的氧化，以及在高温环境中，阻止一些腐蚀性气体对基体的侵蚀；梯度结构是由多层陶瓷层和粘结层交替叠加而成的，梯度结构涂层能够有效缓解由于金属材料与陶瓷材料的热膨胀系数不匹配而引起的涂层内部的热应力，提高涂层的结合强度和抗热震性。实际应用的典型热障涂层主要是双层结构，包括表层的7

8% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ），此外还包括陶瓷层与高温合金基体之间起粘结作用的粘结层（Bond coat，BC）。

热障涂层的主要作用是在高温氧化环境中，利用陶瓷材料的高熔点、耐高温、高温稳定性好以及低的热导率等特性，减弱向基体的热量传递，使高温合金基体的工作温度降低，以及利用粘结层形成的热生长氧化层阻止环境中的氧向高温合金基体扩散，来提高高温合金的使用寿命。

陶瓷层一般为7~8wt% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷，可通过大气等离子喷涂（Air plasma spraying，APS）或者电子束物理气相沉积（Electron beam-physical vapor deposition，EB-PVD）的方法附着在粘结层表面。

粘结层材料一般为MCrAlY（M是过渡金属Ni、Co或者Ni+Co）、β-NiAl等。这些涂层由于铝含量高，在高温氧化环境中能够生成致密的α-Al₂O₃，即热生长氧化层（Thermally grown oxide，TGO），能够阻止氧进一步向高温合金内部扩散，起到保护高温合金基体的作用。

引起热障涂层失效的主要因素包括涂层间的热膨胀系数不匹配、高温氧化环境中元素氧化以及由此引起的合金成分的变化、涂层的相变等。热障涂层的失效主要表现在粘结层和热生长氧化层。由于粘结层与陶瓷层本身由于热膨胀系数不匹配，在高温环境中容易产生热应力而失效。在高温氧化环境中粘结层中会形成热生长氧化层，随着热生长氧化层厚度的不断增加，在其附近区域会产生贫铝区，从而导致该区域的镍等元素选择性氧化而形成大的氧化

物颗粒，这些大的氧化物颗粒的生成，会严重影响涂层的粘结性能和抗氧化性能，从而导致涂层失效。

研究表明，粘结层材料的成分和组成对热生长氧化层的形成速度、成分、完整性以及粘结性和剥落行为等都起着决定作用，而热生长氧化层对涂层的性能起着重要作用。因此通过对粘结层进行改性，进而控制热生长氧化层的结构和相组成，来提高涂层的性能。

发明内容

本发明旨在研究出一种Pt+Si改性的β-NiAl热障涂层，通过铂对粘结层的改性，从而解决了粘结层中的铝原子向基体扩散的问题，并且通过在粘结层加入改性元素硅，使得热生长氧化层由单一α-Al₂O₃转变为α-Al₂O₃和α-SiO₂双相结构，提高了涂层的抗氧化性能、抗热震性、抗腐蚀性能和粘结性能。

Pt+Si改性的β-NiAl热障涂层，其特征在于：该热障涂层从基体开始，依次为粘结层、热生长氧化层和陶瓷层。所述的热障涂层，基体材料为镍基高温合金，主要成分为镍、铬、钴、铝元素，具体成分如下：

Al：4~6wt%

Cr：8~10wt%

Co：8~10wt%

Fe：＜1wt%

Mn：＜1wt%

V：＜1wt%

B：＜ 1 wt%

S：＜1wt%

Si：＜1wt%

P：＜ 1wt%

Ni：余量。

所述的热障涂层，粘结层材料为镍和铝形成的金属间化合物β-NiAl。改性元素铂固溶于涂层中。热生长氧化层为双相结构，由靠近陶瓷层的α-SiO₂和靠近粘结层的α-Al₂O₃组成。陶瓷层材料为7~8wt% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷。粘结层的厚度不超过100

。粘结层中固溶有非金属元素硅，对粘结层进行改性。固溶有硅元素的粘结层厚度为5~12

。热生长氧化层厚度为1~15 。陶瓷层为柱状晶组织，具有垂直于基体表面的裂纹。陶瓷层厚度为100~400

。

本发明的制备方法如下：

1）用酒精和丙酮分别清洗镍基高温合金，并对镍基高温合金表面进行喷砂处理；

2）在镍基高温合金表面电镀一层厚度为3~15

Figure 2012100787037100002DEST_PATH_IMAGE008

的铂；

3）将镀铂的高温合金基体在800~1150

的温度下热处理2~6h；

4）采用粉末包埋法，将热处理后的镍基高温合金包埋于装有均匀混合渗剂的刚玉坩埚中，加热到700~850

，并保温2~8h，进行第一段渗铝处理；

5）采用粉末包埋法，将第一段渗铝处理后的镍基高温合金包埋于装有均匀混合渗剂的刚玉坩埚中，加热到900~1200

，并保温2~8h，进行第二段渗硅处理；

6）采用真空封装技术，将渗硅后的镍基高温合金封装到石英管中，加热到800~1200，并保温2~6h；

7）采用等离子喷涂方法在热处理后的镍基高温合金表面喷涂沉积一层7~8% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷，陶瓷层厚度为100~400

。

所述的热障涂层的制备方法，其特征在于：第一段渗铝的渗剂成分如下所示：

Al：8~12wt%

NH₄Cl：2~6wt%

Al₂O₃：80~96wt%。

第二段渗硅的渗剂成分如下所示：

NH₄Cl：2~10wt%

Al₂O₃：80~96wt%

Si：0.5~3wt%。

本发明的热障涂层的作用机理如下：

1）在高温合金基体表面电镀一层铂，热处理后铂原子固溶体于涂层中。在高温条件下，铂原子使涂层与基体之间出现“钉扎效应”，能够阻止粘结层中铝原子向高温合金基体扩散，有利于热生长氧化层的形成，并抑制了贫铝区的产生，提高涂层与基体的结合强度，极大地提高了高温合金的抗高温氧化性能。

2）通过对β-NiAl的改性，硅原子固溶到β-NiAl表面，高温氧化环境中，氧原子穿过陶瓷层扩散到粘结层表面，首先与β-NiAl表面的硅原子反应生成结构致密、连续的α-SiO₂，阻碍氧原子向基体的扩散；当粘结层表面的硅原子耗尽后，氧原子会与β-NiAl中的铝原子发生反应，生成致密的α-Al₂O₃，阻碍了氧原子向高温合金基体的进一步扩散。

3）在高温氧化环境中形成了α-Al₂O₃+α-SiO₂的热生长氧化层双层结构，由于生成的α-SiO₂熔点高、受热后体积变化小，提高了粘结层的稳定性，并且能够阻碍环境中的热量向高温合金基体的传递；α-Al₂O₃和α-SiO₂的晶体结构相同，降低了界面处的应力，提高了涂层的热稳定性。

4）采用两段法分别渗铝和渗硅，能够精确控制涂层的相组成。

附图说明

图1是热障涂层结构示意图。

图2是本发明中的热障涂层结构示意图。

图3是热生长氧化层的形成示意图。

图4是改性热障涂层的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

具体步骤如下：

1）选取镍基高温合金作为基体，将其线切割成10×5×3 mm³的薄片，然后喷砂处理打磨样品表面，在超声波清洗机中分别用酒精和丙酮清洗半小时，清洗完毕后用吹风机吹干。

2）在清洗干净的样品表面电镀一层厚度为8

的铂，然后将电镀好的高温合金基体在1150℃下热处理2小时。

3）把均匀混合的渗剂装入刚玉坩埚中，渗剂成分为8wt% Al、2 wt% NH₄Cl和90 wt% Al₂O₃。将热处理后的高温合金基体放入装有均匀混合渗剂的坩埚中，保证高温合金完全被渗剂包覆，并用高温耐火泥密封坩埚。将密封好的坩埚放入马弗炉中，加热到800

，保温2小时，并通入惰性气体，进行第一段渗铝处理。

4）将第一段渗铝处理后的高温合金基体放入装有均匀混合渗剂的坩埚中，渗剂成分为1wt% Si、2 wt% NH₄Cl和97wt% Al₂O₃，重复上述操作，在950

下保温2小时，进行第二段渗硅处理。

5）将渗硅后的高温合金装入石英管中，真空密封，将石英管放入马弗炉中，加热到1100

，并保温6小时，进行热处理。

实施例二

在清洗干净的样品表面电镀一层厚度为8

的铂，重复上述渗铝工艺、渗硅工艺、热处理工艺，其中第一段渗铝的渗剂成分为8wt% Al、2 wt% NH₄Cl和90 wt% Al₂O₃，第二段渗硅的渗剂成分为2wt% Si、2 wt% NH₄Cl和96wt% Al₂O₃。