CN105420658A - 一种涡轮叶片用复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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程玉贤
王璐
张鹏
李明康
刘艳
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Abstract

本发明提供一种涡轮叶片用复合涂层及其制备方法。一种涡轮叶片用复合涂层，由MCrAlY底层和二次渗铝层双层组成，其中MCrAlY底层采用超音速喷涂方法制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理，二次渗铝采用固体粉末包埋方法或化学气相沉积方法制备。按照以下步骤制备：本发明的优点为(1)、采用超音速喷涂MCrAlY涂层，后进行二次渗铝处理，可以使MCrAlY涂层表面形成一层富Al层。该富Al层在氧化过程中能形成连续致密的Al2O3氧化膜。(2)、对扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，可以提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构。(3)、二次渗铝层后的湿吹砂处理有助于提高涂层的抗氧化性能。

Description

一种涡轮叶片用复合涂层及其制备方法
技术领域
本技术属于航空发动机涡轮叶片等热端部件的防护涂层技术，特别是涉及一种涡轮叶片用复合涂层及其制备方法。
背景技术
涡轮叶片服役环境恶劣，长期经受高温燃气的冲击和侵蚀。为了提高涡轮叶片的抗氧化性能，其表面无一例外地涂覆防护涂层。防护涂层服役过程中其表面形成一层连续致密的Al2O3氧化膜，有效阻止了环境中腐蚀介质的进一步入侵。目前防护涂层已成为先进发动机涡轮叶片的关键技术之一。
防护涂层一般可分为Al化物涂层、改性Al化物涂层和MCrAlY包覆涂层。Al化物涂层一般Al含量高，表面易快速形成Al2O3氧化膜，但涂层对基体合金的力学性能影响较大。MCrAlY涂层的成分和厚度可按要求控制，涂层成分与基体成分完全无关，可以兼顾抗氧化性能与力学性能。因此，MCrAlY涂层作为可控组分涂层，被广泛应用为涡轮叶片的防护涂层。
高温服役过程MCrAlY涂层中Al元素会大量消耗以形成Al2O3氧化膜。这样在该处富集Ni、Co、Cr等元素会形成对应的氧化物，当Al元素含量进一步降低时，还会形成Ni(Al、Cr)2O4等类尖晶石相，从而降低MCrAlY涂层的防护性能。
对MCrAlY涂层进行改性，提高其表面的Al含量，是提高涡轮叶片防护涂层体系可靠性，延长涂层使用寿命的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡轮叶片用改性MCrAlY复合涂层结构及其制备方法，其表面Al含量高，抗氧化性能优异。
本发明一种涡轮叶片用复合涂层，由MCrAlY底层(扩散态)和二次渗铝层双层组成，其中MCrAlY底层采用超音速喷涂方法制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理，二次渗铝采用固体粉末包埋方法或化学气相沉积方法制备。
本发明一种涡轮叶片用复合涂层的制备方法，按照以下步骤制备：
(1)底层的制备：
首先采用超音速喷涂方法在涡轮叶片表面制备20～40μm左右的MCrAlY涂层，然后在1050℃进行真空扩散热处理2～4小时；
(2)底层后处理技术：
针对步骤(1)制备的扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构；
(3)二次渗铝层的制备：
采用固体包埋法或化学气相沉积方法对MCrAlY涂层进行二次渗铝；
(4)复合涂层后处理技术
对复合涂层进行湿吹砂处理，光整涂层表面，促进Al2O3氧化膜的快速形成。
采用本发明该复合涂层表面Al含量高，显著提高涡轮叶片的抗氧化性能。
为了解决传统MCrAlY涂层中Al元素含量有限的问题，采用先超音速喷涂MCrAlY涂层，后进行二次渗铝处理，使MCrAlY涂层表面形成一层富Al层。该富Al层在氧化过程中能形成连续致密的Al2O3氧化膜。
为了进一步改善MCrAlY底层与高温合金基体的结合力，改善MCrAlY底层的组织结构，对MCrAlY底层进行1050℃真空扩散热处理2～4小时。
针对扩散态MCrAlY底层表面可能掺杂有热处理过程中引入的其他附着物，影响防护涂层界面结合力和涂层结构问题，对扩散态MCrAlY底层底层采用湿吹砂表面强化平整技术，提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构。
在表面强化平整后的扩散态MCrAlY底层上采用固体包埋法或化学气相沉积方法对MCrAlY涂层进行二次渗铝，提高涂层中的Al含量，从而提高防护涂层的抗氧化腐蚀能力。
对复合涂层进行湿吹砂处理，光整涂层表面，促进Al2O3氧化膜的快速形成。
本发明与现有技术相比具有以下主要优点：
(1)、采用超音速喷涂MCrAlY涂层，后进行二次渗铝处理，可以使MCrAlY涂层表面形成一层富Al层。该富Al层在氧化过程中能形成连续致密的Al2O3氧化膜。
(2)、对扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，可以提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构。
(3)、二次渗铝层后的湿吹砂处理有助于提高涂层的抗氧化性能。
附图说明
图1为HVOFNiCrAlY涂层试样和HVOFNiCrAlY+渗铝涂层试样在1000℃恒温氧化100小时的氧化动力学曲线。
图2为HVOFNiCrAlY涂层试样1000℃恒温氧化100小时后的截面形貌。
图3为HVOFNiCrAlY+渗铝涂层试样1000℃恒温氧化100小时后的截面形貌及对应的面扫描结果。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
本发明一种涡轮叶片用复合涂层，由MCrAlY底层(扩散态)和二次渗铝层双层组成，其中MCrAlY底层采用超音速喷涂方法制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理，二次渗铝采用固体粉末包埋方法或化学气相沉积方法制备。
实施例1
(1)底层的制备：
首先采用超音速喷涂方法在涡轮叶片表面制备30μm左右的MCrAlY涂层，然后在1050℃进行真空扩散热处理2小时；超音速喷涂方法具体工艺参数为：喷枪为JP-5000，喷涂距离为350～370mm，送粉速率60～65g/min，氧气压力为131psi，氧气流量为1700scfh，煤油压力为113psi，煤油流量为7scfh，喷涂角度为90°。
(2)底层后处理技术：
针对步骤(1)制备的扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构；具体为：
对上述扩散态MCrAlY底层进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干。湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为180目，刚玉砂含量20％，风压0.15MPa，吹砂距离为180mm。
(3)二次渗铝层的制备：
采用固体包埋法或化学气相沉积方法对MCrAlY涂层进行二次渗铝；
具体为：将上述试片安装到专用夹具上并用高温合金丝进行紧固。
将试片安装到渗铝罐内进行二次渗铝处理。具体工艺参数为：采用FeAl粉作为渗剂，Al2O3为防烧结剂，NH4Cl为活化剂。
(4)复合涂层后处理技术
对复合涂层进行湿吹砂处理，光整涂层表面，促进Al2O3氧化膜的快速形成。
具体为：将渗铝后的试片进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干。湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为280目，刚玉砂含量35％，风压0.25MPa，吹砂距离为350mm。
HVOFNiCrAlY涂层试样和HVOFNiCrAlY+渗铝涂层试样在1000℃恒温氧化100小时的氧化动力学曲线如图1所示，从图可以看出，二次渗铝显著提高HVOFNiCrAlY的抗氧化性能。
HVOFNiCrAlY涂层试样1000℃恒温氧化100小时后的截面形貌如图2所示，图可以看出，HVOFNiCrAlY涂层试样氧化后形成了层状氧化物。
HVOFNiCrAlY+渗铝涂层试样1000℃恒温氧化100小时后的截面形貌及对应的面扫描结果如图3所示，由图可以看出，HVOFNiCrAlY+渗铝涂层试样形成了一层连续致密的Al2O3氧化膜。
对比图2、图3可知，对超音速喷涂NiCrAlY涂层进行二次渗铝处理，促进了连续致密Al2O3氧化膜的形成，显著提高HVOFNiCrAlY的抗氧化性能。

Claims (2)

1.一种涡轮叶片用复合涂层，其特征在于该涂层由MCrAlY底层和二次渗铝层双层组成，其中MCrAlY底层采用超音速喷涂方法制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理，二次渗铝采用固体粉末包埋方法或化学气相沉积方法制备。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片用复合涂层的制备方法，其特征在于按照以下步骤制备：
(1)底层的制备：
首先采用超音速喷涂方法在涡轮叶片表面制备20～40μm左右的MCrAlY涂层，然后在1050℃进行真空扩散热处理2～4小时；
(2)底层后处理技术：
针对步骤(1)制备的扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构；
(3)二次渗铝层的制备：
采用固体包埋法或化学气相沉积方法对MCrAlY涂层进行二次渗铝；
(4)复合涂层后处理技术
对复合涂层进行湿吹砂处理，光整涂层表面，促进Al2O3氧化膜的快速形成。
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