CN102615914A

CN102615914A - Pt改性的热障涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102615914A
Application number: CN2012100786335A
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改性的Ni₃Al+NiAl新型热障涂层及制备工艺。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；采用粉末包埋法和两段法渗铝，制备出具有双层粘结层结构的涂层；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、粘结性能和高温热稳定性，能够延长高温合金的使用寿命。

Description

Pt改性的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改性的Ni₃Al+NiAl新型热障涂层及其制备方法，属于新材料制备及表面改性技术领域。

技术背景

现代航空燃气涡轮发动机向着大推力、高效率、低油耗以及长寿命的趋势发展，使得涡轮发动机叶片的进气温度不断提高。目前，推重比达到15以上的发动机的涡轮进口温度高达2000℃以上，这就要求涡轮叶片和导向叶片能够在1400

以上长期稳定工作。为了满足这一要求，目前已经开发出了五代高温合金，但是由于受到高温合金自身熔点的限制，进一步提高高温合金工作温度的空间已经十分有限。因此，寻求新的冷却技术和在高温合金表面制备一种既耐高温又抗氧化的热障涂层，来降低高温合金表面的温度以及防止高温合金氧化，成为一种行之有效的新技术。目前，采用隔热层厚度为150

300

Figure 2012100786335100002DEST_PATH_IMAGE006

的热障涂层并采用冷却技术，可以使涡轮叶片表面的温度降低150℃左右。研究表明，涡轮叶片表面的温度每降低15

，叶片的蠕变寿命就可以延长一倍。

热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）一般采用双层结构，即表层的陶瓷层和中间的粘结层。其中陶瓷层一般为7

8wt% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ），一般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。陶瓷层具有较低的热导率，主要起隔热作用，并且在高温环境中稳定性好，同时陶瓷层内部存在大量的空隙，因此具有较大的氧扩散系数，特别是通过电子束物理气相沉积制备的陶瓷层，其结构为柱状晶组织，各个柱状晶之间存在大量的空隙，氧的扩散能力更强。因此，这就要求粘结层一方面要改善高温合金基体与陶瓷层的热膨胀系数的不相匹配，另一方面还必须具有非常好的抗氧化性能，才能保证高温合金基体不被氧化，从而提高高温合金的稳定性，增加其使用寿命。

粘结层的抗氧化机理是通过在高温氧化气氛中生成一层致密、连续的热生长氧化物（Thermally grown oxide，简称TGO），以阻止环境中的氧进一步向高温合金扩散，从而保护高温合金基体不被氧化，起到保护基体的作用。

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，在高温氧化环境中生成致密的、连续的α-Al₂O₃层，能够阻止氧进一步向高温合金内部扩散，因此具有很好的抗氧化性能。

热障涂层的使用寿命与热生长氧化层的生长速度、结构形式、组成成分以及陶瓷层和粘结层界面的形态、应力分布有关系。目前热障涂层的失效主要表现为热生长氧化层附近的氧化锆陶瓷发生脱落。研究表明，热生长氧化层与陶瓷层界面存在显著的不连续性，包括成分的不连续和热膨胀系数的不连续，因此热生长氧化层与陶瓷层之间存在残余应力。随着热生长氧化层厚度不断增加，残余应力也会不断增加，同时也会导致粘结层中形成铝元素贫化区，引起该区域镍等元素的选择性氧化，进一步增加了粘结层与陶瓷层之间的应力，最终导致涂层失效。因此，对粘结层进行改性，控制热生长氧化层的生成速度，以及保证热生长氧化层成分的连续性、完整性，对提高高温合金的使用寿命具有重要意义。

传统的粘结层材料为MCrAlY和铂改性的β-NiAl涂层，这两种涂层由于铝含量高，在高温氧化环境中能够生成致密的α-Al₂O₃层，不过由于与高温合金基体的铝含量相差大，高温条件下会引起粘结层中的铝向基体扩散，发生β-NiAl →γ′-Ni₃Al的相变，这降低了粘结层与高温合金基体的粘结性。因此，在单一粘结层涂层的基础上研究出多层结构涂层，以解决粘结层与高温合金基体之间由于铝含量相差大而引起的粘结层不稳定等问题。

在高温条件下，粘结层中的铂能够阻碍铝原子向基体扩散，抑制粘结层中可能发生的β-NiAl →γ′-Ni₃Al相变，并且使涂层与基体之间出现“钉扎效应”，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。

发明内容

本发明旨在研究出一种铂改性的Ni₃Al+NiAl新型热障涂层，可以解决铝原子向高温合金基体扩散以及β-NiAl和γ′-Ni₃Al之间由于铝原子活度的差异而引起的铝原子扩散的问题，提高了涂层的粘结性能和稳定性，并且通过Al₂O₃粉末轰击粘结层表面，对粘结层表面进行改性处理，有利于粘结层在高温氧化环境中生成连续、致密的热生长氧化层。

Pt改性的热障涂层，其特征在于该热障涂层包括：

基体；

设置在所述基体上的β-NiAl层；

设置在所述β-NiAl层上的γ′-Ni₃Al层；

设置在所述γ′-Ni₃Al层上的热生长氧化层；

设置在所述热生长氧化层的陶瓷层；

其中粘结层包括β-NiAl和γ′-Ni₃Al，隔热层为陶瓷层。

所述的热障涂层，基体材料为定向凝固镍基高温合金，具体成分如下：

Al：46wt%

Cr：8

10wt%

Co：8

10wt%

Fe：＜1 wt %

Mn：＜1wt%

V：＜1wt%

B：＜1wt%

P：＜1wt%

Si：＜ 1wt%

Ni：余量。

所述的热障涂层，陶瓷层材料为78wt% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷。选用铝含量高的γ′-Ni₃Al+β-NiAl双层结构热障涂层。

本发明的制备工艺如下：

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

的铂层；

3）将镀铂的高温合金基体在8001150

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，将第一段渗铝后的镍基高温合金包埋于装有均匀混合渗剂和一种添加剂的刚玉坩埚中，加热到800960

，并保温2

8h，进行第二段渗铝处理；

6）采用真空封装技术，将渗铝后的镍基高温合金封装到石英管中，加热到10001200℃，并保温2~6h；

7）采用超音速冷气喷射陶瓷颗粒轰击表面法，用纯度为99.99%、粒径为100300目的Al₂O₃粉末作为轰击材料，对粘结层进行表面改性，以改变粘结层表层的晶粒结构、应力状态和表面形态；

8）采用等离子喷涂方法在喷射处理后的镍基高温合金表面喷涂沉积一层78% 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，第一段渗铝的渗剂成分如下所示：

Al：6

12wt%

NH₄Cl：210wt%

Al₂O₃：80

90wt%。

第二段渗铝的渗剂成分如下所示：

Cr-Al粉：2

8wt%

NH₄Cl：2

10wt%

Al₂O₃：90

96wt%。

所述的热障涂层的制备方法，用Al₂O₃粉末对粘结层表面进行改性。

本发明制备的热障涂层能够很好地解决粘结层中的铝原子向高温合金基体扩散的问题，同时在高温环境中形成完整、连续、致密的热生长氧化层，提高了涂层的抗氧化性能和稳定性。

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，热处理后铂原子进入涂层中，在高温条件下，铂原子充当了铝原子扩散的阻挡层，能够有效阻止粘结层中铝原子向高温合金基体扩散。

2）粘结层的结构为γ′-Ni₃Al+β-NiAl，在高温氧化环境中，靠近陶瓷层的γ′-Ni₃Al会优先形成热生长氧化层，这样就会消耗γ′-Ni₃Al中铝原子。由于β-NiAl涂层中的铝原子活度比γ′-Ni₃Al涂层中的铝原子活度要高，所以β-NiAl中的铝原子会向γ′-Ni₃Al扩散，充当形成热生长氧化层的铝源。当环境中的氧含量较高时，β-NiAl中有较多的铝原子扩散到γ′-Ni₃Al中，形成热生长氧化层；当环境中的氧含量较低时，β-NiAl扩散到γ′-Ni₃Al中的铝原子的数量相应地降低，从而控制氧化过程中热生长氧化层的生长速率和厚度，有利于形成连续、致密的热生长氧化层，提高粘结层的稳定性。

本发明的热障涂层的优点如下：

1）涂层的抗氧化性好。采用γ′-Ni₃Al+β-NiAl双层结构，能够形成连续、致密、可控的热生长氧化层，有效阻止了氧进一步向高温合金基体扩散。

2）涂层的粘结性能优异。γ′-Ni₃Al的粘结性优于β-NiAl，能够更好地改善涂层的粘结性能。

3）通过对粘结层表面进行改性，保证生成致密、连续的热生长氧化层。

附图说明

下面是对具体的实施例进行了详细说明，根据附图，本发明的原理及特点可简要概括如下：

图1是典型的热障涂层结构示意图。

图2是本发明中的热障涂层示意图。

图3是铝扩散的原理示意图。

具体实施方式

实施例一

具体实施步骤如下：

1）选取镍基高温合金作为基体，将其线切割成10×5×3mm³的薄片状，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6

的铂，然后将镀铂的高温合金基体在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、2wt% NH₄Cl和90wt% 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，保证高温合金周围完全被渗剂包覆，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）将渗铝后的高温合金基体放入装有均匀混合渗剂的刚玉坩埚中，渗剂成分为2wt%Cr- Al粉、2wt% NH₄Cl和96wt% Al₂O₃，重复上述操作，在900

下保温2小时，进行第二段渗铝处理。

5）将渗铝后的高温合金放入石英管中，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12 的铂，重复上述铂扩散工艺、渗铝工艺和热处理工艺。

实施例三

在清洗干净的样品表面电镀一层厚度为6

的铂，重复上述铂扩散工艺、渗铝工艺和热处理工艺，其中第一段法渗铝的渗剂成分为10wt% Al、2wt% NH₄Cl和88wt% Al₂O₃，第二段法渗铝的渗剂成分为4wt% Cr-Al粉、2wt% NH₄Cl和94wt% Al₂O₃。