CN104593640B

CN104593640B - 一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料

Info

Publication number: CN104593640B
Application number: CN201510050049.2A
Authority: CN
Inventors: 杨志刚; 汪海锋; 张玉朵; 张弛; 张强; 段方苗
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN104593640A

Abstract

本发明涉及一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料，属于新材料开发及应用领域，该材料由基本成分和添加成分构成；所述基体成分及各成分的原子百分比如下：Co:Bal.(余量)，Ni:24at％‑34at％，Cr:16at％‑27at％，Al:9at％‑21at％；添加成分及各成分的原子百分比如下：Hf+Y:0.05at％‑2at％，其中，Hf:Y为：1:1～4:1；Dy+La:0.1at％‑2at％，其中，Dy:La为：1:1～4:1；Hf+Sc:0.05at％‑2at％，其中，Hf:Sc为：1:4～4:1。本发明以CoNiCrAl合金为基础，通过添加微量元素，改善合金的抗高温氧化腐蚀的性能，从而提高热障涂层的整体性能，改善其抗高温氧化性能提高其服役的时间。

Description

一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料

技术领域

本发明属于新材料开发及应用领域，特别涉及一种新型混合掺杂活性元素的热防护涂层材料，主要应用于发动机高温部件热障涂层粘结层及其它需要防护高温氧化腐蚀的部件。

背景技术

当今，由于科学技术的发展，随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高，对涡轮发动机叶片的综合性能提出了更高的要求。现代涡轮发动机基底材料主要是高温合金，再在基底上添加热障涂层作为热端部件的防护涂层，从而使其能够承受高温腐蚀的环境。热障涂层结构一般如图1所示，由涂覆于基底14上的抗氧化粘结层13和抗导热陶瓷层11组成。现有的热障涂层的粘接层材料一般为高温合金，即镍Ni基合金、钴Co基合金或钴镍CoNi基合金，然后加入少量的活性元素。

现有的热障涂层在高温氧化过程中，在粘结层13和抗导热陶瓷层11之间会形成一层热生长氧化物(TGO)，TGO层12可以减小元素的扩散速度，降低氧化速率，从而起到保护基底材料的作用。但是新生成的TGO层将会在热障涂层中引起应力的产生，从而破坏热障涂层。因此，TGO层的生长速度，即氧化速率成为影响热障涂层使用寿命的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料，本发明以CoNiCrAl合金为基础，通过添加微量元素，改善合金的抗高温氧化腐蚀的性能，从而提高热障涂层的整体性能改善其抗高温氧化性能和，提高其服役的时间。

本发明提出的一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料由基本成分和添加成分构成；所述基体成分及各成分的原子百分比如下：

Co:Bal.(余量)，

Ni:24at％-34at％，

Cr:16at％-27at％，

Al:9at％-21at％；

添加以下任意两种成分组合及各成分组合中的原子百分比如下：

Hf+Y:0.05at％-2at％，其中，Hf:Y为：1:1～4:1；

Dy+La:0.1at％-2at％，其中，Dy:La为：1:1～4:1；

Hf+Sc:0.05at％-2at％，其中，Hf:Sc为：1:4～4:1。

所述基本成分中Cr:更好为16at％-22at％，Al:更好为9at％-16at％。

所述各基本成分Co、Ni、Cr、Al的纯度为99.90％以上。

所述添加的成分组合中的各成分的原子百分比如下：

Hf+Y：更好为0.05at％-0.5at％；

Dy+La:更好为0.1at％-0.5at％；

Hf+Sc:更好为0.5at％-1.5at％。

所述添加成分组合中各成分的原子百分比如下：

Hf+Y:最合适为0.1at％-0.2at％；

Dy+La:最合适为0.1at％-0.2at％；

Hf+Sc:最合适为0.5at％-1at％。

本发明的特点及有益效果：

由于各元素的原子量不同，为了更好地分析所添加的元素的量，本发明中采用原子百分比的方法来确定合金成分。

本发明通过添加两种混合的添加成分，从而达到提高CoNiCrAl合金抗高温氧化腐蚀的性能。

本发明限定了添加成分的总量，如果添加的元素含量不足0.05at％，就没有改善抗氧化性能的效果；如果超过含量上限(2at％)，在粘结层中会形成明显的偏析，在氧化过程中会形成“钉桩”，不但加速破坏基体，而且破坏氧化层与基体的结合力，从而不能起到提高高温氧化性能的作用。

本发明可用于各种需要在高温条件下服役的部件，如燃气轮机的叶片等，提高叶片及其它高温部件的性能，从而提高机械寿命。

附图说明

图1为热障涂层示意图；11为顶层陶瓷层，12为TGO层，13为粘接层，14为基底层

图2为各实施例中合金经过160次循环氧化后的单位面积重量变化曲线。

图3为图2的纵坐标范围为-1.0～1.0的区域局部放大曲线。

具体实施方式

本发明提出的一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料结合实施例及附图进一步详细说明如下：

Co:Bal.(余量)，

Ni:24at％-34at％，

Cr:16at％-27at％，更好为16at％-22at％，

Al:9at％-21at％，更好为9at％-16at％，

上述各成分的纯度均为99.90％以上。

Hf+Y:0.05at％-2at％，其中，Hf:Y为：1:1～4:1；

0.05at％-0.5at％为好，0.1at％-0.2at％最为合适；

Dy+La:0.1at％-2at％，其中，Dy:La为：1:1～4:1；

0.1at％-0.5at％为好，0.1at％-0.2at％最为合适；

Hf+Sc:0.05at％-2at％，其中，Hf:Sc为：1:4～4:1；

0.5at％-1.5at％为好，0.5at％-1at％最为合适。

本发明给出了10种用于涡轮发动机高温部件热障涂层的粘结层实施例合金材料，各实施例合金材料的成分及各成分的原子百分比如表1所示，本实施例采用真空熔炼的方法制备。

表1实施例材料及比较例的成分(at％)

为说明本发明的效果，对各实施例进行氧化实验，实验前对各实施例合金进行真空热处理：1200℃、24h固溶热处理和850℃、24h时效热处理。另外，为便于比较，以CoNiCrAl合金作为比较例和本实施例的添加各种活性元素的合金体系做比较，做相同条件下的对比实验。

各合金在温度为1150℃时进行循环氧化实验，实验过程为：将合金放入管式炉中保温1小时，温度为1150℃，之后取出冷却1小时，称重，然后再将样品放入炉中加热，如此反复160次。结果如图2、图3所示，其中图3是只取图2中纵坐标在-1.0～1.0mg/cm²的范围局部放大以方便观察结果。图2、图3中曲线1、2、3、4、5、6、7分别代表比较例1及实施例1、2、6、7、8、10.

从图2、3中可以看出，相对于没有添加任何微量元素的CoNiCrAl合金，添加微量元素的合金的循环氧化性能均得到明显改善。没有添加活性元素的CoNiCrAl合金，重量变化最大达到25mg/cm2，而添加活性元素之后，除了添加Hf+Sc(0.05％)及Hf+Y(0.05％)的合金，其他合金的重量变化大致都在5mg/cm2，说明了各实施例合金相对于CoNiCrAl合金的抗高温氧化性能显著提高了。

需要指出的是：本发明中的混合掺杂活性元素材料应用范围并不局限于叶片的热障涂层中的粘接层，也适用于各工业领域中需要在高温环境下工作的各种结构件。

Claims

1.一种用于热障涂层的含多种活性元素的粘结层材料，其特征在于，该材料由基本成分和添加成分构成；所述基本成分及各成分的原子百分比如下：

Co:余量，

Ni:24at％-34at％，

Cr:16at％-27at％，

Al:9at％-21at％；

添加以下三种组合成分中的任意一组，各组合成分中的原子百分比如下：

Hf+Y:0.05at％-2at％，其中，Hf:Y为：1:1～4:1；

Dy+La:0.1at％-2at％，其中，Dy:La为：1:1～4:1；

Hf+Sc:0.05at％-2at％，其中，Hf:Sc为：1:4～4:1。

2.如权利要求1所述材料，其特征在于，所述基本成分中Cr:16at％-22at％，Al:9at％-16at％。

3.如权利要求1所述材料，其特征在于，所述各基本成分Co、Ni、Cr、Al的纯度均为99.90％以上。

4.如权利要求1所述材料，其特征在于，所述添加的组合成分中各成分的原子百分比如下：

Hf+Y：0.05at％-0.5at％；

Dy+La:0.1at％-0.5at％；

Hf+Sc:0.5at％-1.5at％。

5.如权利要求1所述材料，其特征在于，所述添加的组合成分中的各成分的原子百分比如下：

Hf+Y:0.1at％-0.2at％；

Dy+La:0.1at％-0.2at％；

Hf+Sc:0.5at％-1at％。