CN110923638B - 抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法 - Google Patents

抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对单晶合金叶片的各向异性和不同级别燃机单晶叶片以及叶片不同位置的运行温度分布特点，提供了一种通过单晶合金二次枝晶取向分布和表面再结晶控制技术改善抗热腐蚀单晶合金与MCrAlY涂层界面稳定性的方法，具体为根据燃机叶片服役温度条件制备特殊二次取向的单晶叶片：900℃热暴露条件下，选取(100)取向为择优二次取向；1000℃热暴露条件下，选取(210)取向为择优二次取向。同时调整叶片表面喷砂处理参数，可以减小表面塑性变形量和再结晶层厚度，从而进一步改善单晶合金与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性。

Description

抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制 方法
技术领域
本发明属于单晶合金涡轮叶片制备领域，涉及抗热腐蚀单晶合金燃机叶片表面涂层制备领域。
背景技术
镍基单晶高温合金由于具有优良的高温力学性能，被广泛应用于制造先进航空发动机和燃气轮机的单晶涡轮叶片。燃气轮机单晶涡轮叶片在苛刻的服役条件下，不仅要求其具有优良的高温力学性能，同时还要抵抗高温氧化和热腐蚀的破坏。因此，采用涂层/单晶高温合金结构，是同时满足以上两种性能要求的主要途径之一。MCrAlY型防护涂层除了被用作包覆涂层外，还常用于燃气轮机涡轮叶片热障涂层体系(TBC)中的粘结层，不仅起到抗氧化与抗热腐蚀防护作用，而且起到改善合金基体与热障涂层相容性的粘结过渡作用。
由于MCrAlY型涂层与高温合金基体之间存在元素浓度差异，在高温服役过程中发生互扩散，导致在涂层/合金基体界面形成互扩散区(IDZ)，并在IDZ下方形成二次反应区(SRZ)，SRZ的形成会降低基体与金属粘结层之间的结合力。对热障涂层系统而言，SRZ的形成是非常不利的。此外，SRZ中析出的拓扑密堆相(TCP相)，消耗了基体内大量的抗热腐蚀元素(Cr元素)及固溶强化元素(如Mo、W和Re等)，并且SRZ的形成缩减了合金的有效承载面积。另一方面，TCP相本身韧性较低，在高温承载时TCP相与γ′/γ之间产生大量的微裂纹，导致合金基体的力学性能显著降低，特别是对高温疲劳和蠕变性能产生非常不利的影响。
影响MCrAlY型涂层与高温合金基体界面稳定性的最直接因素为涂层和合金基体的成分。随着先进燃机效率和进气温度的不断提升，要求单晶合金的高温力学强度不断提高，合金中W、Mo、Ta和Re等难熔元素的含量不断增加，因此加大了合金中σ、μ、P和R等TCP有害相的析出倾向。同时，为了提高MCrAlY型涂层的抗氧化和抗热腐蚀性能，涂层中的Cr、Al元素必须保持在一定的含量水平。而合金与涂层成分差异越大，则界面稳定性越差。因此，在工程应用中，亟需开发出单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制技术。
发明内容
本发明针对单晶合金叶片的各向异性和不同级别燃机(如F级、G/H级和J级)单晶叶片以及叶片不同位置的运行温度分布特点，提供了一种通过单晶合金二次枝晶取向分布和表面再结晶控制技术改善抗热腐蚀单晶合金与MCrAlY涂层界面稳定性的方法。
本发明技术方案如下：
一种抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于，根据燃机叶片服役温度条件制备特殊二次取向的单晶叶片，从而改善单晶合金叶片与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性：
900℃热暴露条件下，选取(100)取向为择优二次取向；
1000℃热暴露条件下，选取(210)取向为择优二次取向。
本发明所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于：在制备MCrAlY涂层前，对样品表面进行表面喷砂处理。通过调整涂层前的喷砂参数，减小表面塑性变形量和再结晶层厚度，可以进一步改善900℃-1000℃条件下单晶合金与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性，具体工艺参数为：
压力：0.1-1.0MPa
角度：60-90°
持续时间：10-30s
砂粒：100-200mesh刚玉。
最优选为：压力：0.3MPa，角度：90°，持续时间：10s，砂粒：150mesh刚玉。
本发明所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)、通过高速凝固法定向凝固工艺(HRS)制备单晶合金试棒；
2)、铸态单晶合金试棒经热处理后，选取(001)取向单晶试棒，利用电火花线切割切取不同第二晶体取向片状样品，其中(001)取向设定为样品纵向方向(即第一取向)，切取(100)或(210)取向平面片状样品(如图1所示)，然后机械抛光至表面光滑；
3)、对样品表面进行表面喷砂处理；
4)、采用电弧离子镀工艺在单晶合金基材表面制备MCrAlY型涂层，并进行后续扩散热处理。
本发明所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于：所述抗热腐蚀单晶合金为镍基单晶高温合金。
将本发明所述单晶合金叶片择优二次取向及表面处理工艺控制方法应用于涡轮叶片的制备，能够大幅改善抗热腐蚀单晶合金与MCrAlY涂层界面稳定性。
附图说明
图1不同二次取向单晶合金片状样品的取样示意图。
图2在900℃/1000h热暴露条件下不同取向界面组织：(a)(100)界面；(b)(210)界面。
图3在1000℃/1000h热暴露条件下不同取向界面组织：(a)(100)界面；(b)(210)界面。
图4在900℃/500h热暴露条件下三种不同表面预处理工艺样品(210)界面组织对比：(a)重喷砂表面处理；(b)轻喷砂表面处理；(a)机械抛光表面处理。
具体实施方式
实施例1
一种抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，以DD420单晶高温合金为例，具体步骤如下：
1)、通过高速凝固法定向凝固工艺(HRS)制备单晶合金试棒；
2)、铸态单晶合金试棒经热处理后，选取(001)取向单晶试棒，利用电火花线切割切取不同第二晶体取向片状样品，其中(001)取向设定为样品纵向方向(即第一取向)，切取(100)和(210)取向平面片状样品(如图1所示)，然后机械抛光至表面光滑；
3)、对样品表面进行表面喷砂处理，喷砂工艺参数为：压力：0.3MPa，角度：90°，持续时间：10s，砂粒：150mesh刚玉；
4)、采用电弧离子镀工艺在单晶合金基材表面制备MCrAlY型涂层，并进行后续扩散热处理。
为了模拟燃机叶片的长时服役环境和过程，将样品分别置于900℃和1000℃长期时效炉中，利用电子背散射衍射(EBSD)测定晶体取向，利用扫描电子显微镜(SEM)观察和表征不同取向界面二次反应区(SRZ)的演化规律和差异，并绘制出不同取向SRZ组织类型和数量分布图谱(图2和3所示)。在900℃热暴露1000小时后，(100)界面的组织更稳定，其中，(100)界面内的TCP相为块状形貌，且数量较少，(210)界面内的TCP相为棒状形貌，且数量更多，EBSD分析表明SRZ位于再结晶层内，(210)界面再结晶深度超过(100)界面2倍以上。因此，900℃热暴露条件下，(100)取向为择优二次取向。在1000℃热暴露条件下，与900℃热暴露条件下的稳定性各向异性相反，(210)界面的组织更稳定。其中，经EBSD分析表明互扩散区(IDZ)位于再结晶层内，(210)界面再结晶深度更深，(210)界面二次反应区(SRZ)内的TCP相为针状形貌，且数量更少。因此，1000℃热暴露条件下，(210)取向为择优二次取向。
实施例2
一种抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，以DD402单晶高温合金为例，具体步骤如下：
1)、通过高速凝固法定向凝固工艺(HRS)制备单晶合金试棒；
2)、铸态单晶合金试棒经热处理后，选取(001)取向单晶试棒，利用电火花线切割切取不同第二晶体取向片状样品，其中(001)取向设定为样品纵向方向(即第一取向)，切取(210)取向平面片状样品，然后机械抛光至表面光滑；
3)、对样品表面分别进行三种工艺的表面预处理：
①、表面重喷砂处理(压力：0.3MPa，角度：90°，持续时间：10s，砂粒：300mesh刚玉)；
②、表面轻喷砂处理(压力：0.3MPa，角度：90°，持续时间：10s，砂粒：150mesh刚玉)；
③、机械抛光处理；
4)、在三种不同表面预处理后的片状样品表面制备MCrAlY型涂层，并进行后续扩散热处理。
为了模拟燃机叶片的长时服役环境和过程，将样品置于900℃的长期时效炉中，利用电子背散射衍射(EBSD)测定晶体取向，利用扫描电子显微镜(SEM)观察和表征三种不同表面预处理工艺样品界面二次反应区(SRZ)的演化规律和差异，并绘制出不同表面预处理工艺样品SRZ组织类型和数量分布图谱(图4)。最终得出：适当减小叶片涂层前的表面吹砂砂粒颗粒度(压力：0.3MPa，角度：90°，持续时间：10s，砂粒：150mesh刚玉)，可以减小表面塑性变形量和再结晶层厚度，从而进一步改善900℃条件下单晶合金与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于，根据燃机叶片服役温度条件制备特殊二次取向的单晶叶片：
900℃热暴露条件下，选取(100)取向为择优二次取向，将MCrAlY涂层制备于(100)取向平面上；
1000℃热暴露条件下，选取(210)取向为择优二次取向，将MCrAlY涂层制备于(210)取向平面上。
2.按照权利要求1所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于：在制备MCrAlY涂层前，对样品表面进行表面喷砂处理，具体工艺参数为：
压力：0.1-1.0MPa
角度：60-90°
持续时间：10-30s
砂粒：100-200mesh刚玉。
3.按照权利要求2所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于，所述表面喷砂处理工艺参数为：压力：0.3MPa，角度：90°，持续时间：10s，砂粒：150mesh刚玉。
4.按照权利要求1所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)、通过高速凝固法定向凝固工艺制备单晶合金试棒；
2)、铸态单晶合金试棒经热处理后，选取(001)取向单晶试棒，利用电火花线切割切取不同第二晶体取向片状样品，其中(001)取向设定为样品纵向方向，即第一取向，切取(100)或(210)取向平面片状样品；
3)、对样品表面进行表面喷砂处理；
4)、采用电弧离子镀工艺在单晶合金基材表面制备MCrAlY型涂层，并进行后续扩散热处理。
5.按照权利要求1-4任一所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于：所述抗热腐蚀单晶合金为镍基单晶高温合金。
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