CN111334759A - 一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种燃机热端部件 - Google Patents

一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种燃机热端部件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种燃机热端部件，属于高温防护涂层技术领域。上述扩散障材料的成分包括MeSi2，Me包括Cr或Mo。该扩散障材料的晶体结构致密、抗高温氧化性能好，与基材间有良好的热膨胀匹配性。高温涂层包括外层和具有扩散障材料的内层。此高温涂层能够抑制基体与涂层间合金组元互扩散，提高涂层抗高温氧化能力，同时避免互扩散导致基体力学性能降低，延长零件的服役寿命。其制备方法成熟可靠，重复性好，易于实现大面积工业化生产。上述扩散障材料和高温涂层均可用于加工燃机热端部件，含有上述扩散障材料或高温涂层的燃机热端部件具有较长的服役寿命和较高的工作可靠性。

Description

一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种 燃机热端部件
技术领域
本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体而言，涉及一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种燃机热端部件。
背景技术
燃机热端部件在服役过程中承受高温、高压、高载荷耦合作用，必须采用高温防护涂层以满足其服役要求。抗高温氧化涂层在燃机热端部件的高温防护方面已经得到很好的应用。但是，当涂层长期暴露在高温氧化环境时，涂层中抗氧化性元素不断被消耗，最终引起性能退化而导致涂层失效。
鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的第一目的包括提供一种扩散障材料的应用，其可用于加工燃机热端部件。
本发明的第二目的包括提供一种含有上述扩散障材料的高温涂层，该高温涂层能够抑制基体与涂层间合金组元互扩散，提高涂层抗高温氧化能力，同时避免互扩散导致基体力学性能降低，延长零件的服役寿命。
本发明的第三目的包括提供一种上述高温涂层的制备方法，该方法简单，易操作，成熟可靠，重复性好，易于实现大面积工业化生产。
本发明的第四目的包括提供一种上述高温涂层在燃机热端部件加工中的应用。
本发明的第五目的包括提供一种含有上述扩散障材料的燃机热端部件。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种扩散障材料的应用，该扩散障材料用于加工燃机热端部件。该扩散障材料的成分包括MeSi2，其中，Me包括Cr或Mo。
本发明还提出一种高温涂层，包括内层和用于防护的外层，内层的制备材料包括扩散障材料。扩散障材料的成分包括MeSi2，其中，Me包括Cr或Mo。
在一些实施方式中，外层的成分包括Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf、Si、Nb、Ta、La、Re、Ru和Pt中的至少两种。
在一些实施方式中，按质量百分数计，外层的成分包括5-55％的Al、不超过65％的Ni、不超过65％的Co、不超过35％的Cr、不超过3％的Y、不超过3％的Hf、不超过5％的Si、不超过5％的Nb、不超过5％的Ta、不超过5％的La、不超过3％的Re、不超过3％的Ru以及不超过2％的B。
在一些实施方式中，外层包括PtAl涂层、NiAlRe涂层、AlSiY涂层、NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层、NiAlPtNb涂层、NiAlHfRu涂层、CoCrAlYSi涂层、NiCoCrAlYTa涂层、NiCrAlYLaB涂层、NiCoCrAlYHf涂层或NiCoCrAlYTaRe涂层。
在一些实施方式中，内层的总厚度为0.5-10μm。
在一些实施方式中，外层的总厚度为10-100μm。
在一些实施方式中，高温涂层还包括陶瓷层，陶瓷层设置于外层的外表面。
在一些实施方式中，陶瓷层包括LaCeO层或YSZ层。
在一些实施方式中，陶瓷层的厚度为100-500μm。
本发明提出一种上述高温涂层的制备方法，包括以下步骤：于内层的表面制备外层。
在一些实施方式中，内层的制备方式包括磁控溅射、化学气相沉积或电子束蒸发镀。
在一些实施方式中，采用磁控溅射方式制备内层时，制备条件包括：基体温度为150-200℃，通氩气维持气压为0.3-0.6Pa，靶电流为1.5-2.3A，脉冲偏压为-200至-100V，离子源电流为0.9-1.2A。
在一些实施方式中，采用电子束蒸发镀方式制备内层时，制备条件包括：基体温度为800-850℃，真空度为3×10-2-3.5×10-2Pa，电压为20-25KV，电子枪电流为1.5-2A。
在一些实施方式中，外层的制备方法包括磁控溅射、电子束物理气相沉积、电弧离子镀、电弧喷涂、火焰喷涂、大气等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速空气燃料喷涂、冷喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积和脉冲电镀中的一种或多种组合。
在一些实施方式中，采用电弧离子镀方式制备外层时，制备条件包括：基体温度为300-350℃，氩气压力为1-2Pa，弧电流为110-120A，直流偏压为-50V至-150V，占空比为70-80％。
在一些实施方式中，采用电子束蒸发方式制备外层时，制备条件包括：600-800℃，真空度为2.5×10-2-3×10-2Pa，电压为18-22KV，电子枪电流为1.5-2A。
在一些实施方式中，采用低压等离子喷涂方式制备外层时，制备条件包括：氩气流量为30-60L/min，氢气流量为2-5L/min，喷涂功率为30-50kW，真空室压力为6-9kPa，送粉量为15-20g/min，喷距为150-250mm。
在一些实施方式中，采用磁控溅射方式制备外层时，制备条件包括：基体温度为100-150℃，氩气压力为0.2-0.6Pa，靶电流为1.5-3.0A，偏压为-100至-200V，离子源为1.0-2.0A。
在一些实施方式中，当采用大气等离子喷涂方式制备外层时，制备条件包括：喷枪功率为60-80kW，Ar流量为150-200slpm，He流量为15-30slpm，喷距为80-150mm。
在一些实施方式中，采用超音速火焰喷涂方式制备外层时，制备条件包括：喷枪功率为2-4kW，气体流量为40-60m3/h，送粉量为3-6g/min，喷涂距离为200-400mm。
在一些实施方式中，采用脉冲电镀方式制备外层时，制备条件包括：温度为40-60℃，电流密度为5-9mA/cm2，pH为0.8-1.2。
在一些实施方式中，采用冷喷涂方式制备外层时，制备条件包括：气体温度为400-500℃，送粉压力为1.5-3MPa，Ar压力为2-5MPa，喷距为20-30mm。
在一些实施方式中，高温涂层的制备方还包括于外层的外表面设置陶瓷层。
在一些实施方式中，陶瓷层的制备方法包括磁控溅射、电子束蒸发镀、电子束物理气相沉积、电弧喷涂、火焰喷涂、大气等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速空气燃料喷涂、冷喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积和脉冲电镀中的一种或多种组合。
在一些实施方式中，采用等离子喷涂-物理气相沉积方式制备陶瓷层时，制备条件包括：功率为100-150kW，Ar流量为20-40nlpm，N2流量为60-70nlpm，送粉量为10-20g/min，真空室压力为1-3Pa，喷距为800-1000mm。
在一些实施方式中，采用电子束蒸发镀方式制备陶瓷层时，制备条件包括：基体温度为700-800℃，真空度为0.5×10-2-1.0×10-2Pa，电压为14-18kV，电子枪电流为1-2A。
此外，本发明还提出了一种上述高温涂层在燃机热端部件加工中的应用。
此外，本发明还提出了一种燃机热端部件，其含有上述扩散障材料。
在一些实施方式中，燃机热端部件含有上述高温涂层。
本申请提供的一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种燃机热端部件的有益效果包括：
本申请提供的扩散障材料中CrSi2或MoSi2从室温到其熔点无相转变发生，具有很好的高温稳定性和高温抗氧化性，抗氧化温度可达1200℃以上，并能具有良好的抗高温循环氧化性；并且，CrSi2或MoSi2均呈低缺陷的hcp结构，具有良好的致密性和热稳定性，即使CrSi2、MoSi2在长时高温过程中分解，Si元素也能起到捕获基体中的合金元素的作用，从而阻挡元素的互扩散；此外，CrSi2、MoSi2的具有较高的热膨胀系数与活性扩散障中α-Al2O3相比，更接近基体和涂层材料。
将高温涂层设置成包括外层和内层，内层的制备材料包括上述扩散障材料。从而使得该高温涂层能够抑制基体与涂层间合金组元互扩散，提高涂层抗高温氧化能力，同时避免互扩散导致基体力学性能降低，延长零件的服役寿命。
提供的上述高温涂层的制备方法简单，易操作，成熟可靠，重复性好，易于实现大面积工业化加工。
上述扩散障材料和高温涂层均可用于燃机热端部件的加工，含有上述扩散障材料或高温涂层的燃机热端部件具有较长的服役寿命和较高的工作可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例1提供的NiAlHfRu/MoSi2/DD5涂层样品于1150℃的条件下氧化10h后的截面背散射像图；
图2为本申请实施例9提供的NiCrAlY/CrSi2/DD5涂层样品于1150℃的条件下氧化120h的截面显微图像图；
图3为本申请对比例1提供的NiAlHfRu/DD5样品于1150℃的条件下氧化10h后的截面形貌图。
图标：A-内层；B-互扩散区；C-二次反应区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请实施例提供的一种扩散障材料的应用、高温涂层及其制备方法与应用、一种燃机热端部件进行具体说明。
发明人发现，由于抗高温氧化涂层材料与合金基体之间存在较大的成分差异，在高温下长期服役时，涂层与合金基体之间必然会发生元素互扩散，即涂层元素向基体的内扩散及基体元素向涂层的外扩散。涂层和基体的互扩散会加速涂层中抗氧化元素如Al、Cr等的贫化，降低涂层的抗高温氧化能力；还会引起基体强化元素W、Mo、Ta、Re等的贫化，削弱基体相的固溶强化效果；同时在互扩散区域孔洞、脆性相的析出容易成为裂纹的发源地和迅速扩展的通道，从而显著降低基体合金的力学性能。
在合金基体与防护涂层间施加扩散障，可在一定程度上阻止合金元素的互扩散。但目前使用的金属扩散障(如含Pt、W或Ru)尽管与基体间有良好的结合强度，不存在物理匹配性问题，但在高温下长时间暴露会发生不同程度的退化；而且由于金属扩散障有一定的元素选择性，对涂层体系与基体间的多元素同时互扩散的阻滞效果不佳。陶瓷层扩散障(如含Al2O3或TiN)或者本身高温抗氧化能力较差，或者高温下会发生化学转变，无法成为扩散障材料的最佳选择。而活性扩散障存在涂层/陶瓷/金属/陶瓷/基体多界面，在温度快速变化过程中，由于多层界面不同材料热膨胀系数等物理性能差别而产生更明显的热应力，会严重影响了涂层的抗热震性能。
鉴于此，特提出了本申请的扩散障材料的应用。该扩散障材料的成分包括MeSi2，其中，Me包括Cr或Mo。
将CrSi2或MoSi2作为扩散障材料较以其它金属元素作为Me具有以下优势：其一，CrSi2和MoSi2从室温到其熔点无相变发生，具有很好的高温稳定性和高温抗氧化性，抗氧化温度可达1200℃以上，并能具有良好的抗高温循环氧化性。其二，CrSi2和MoSi2均呈低缺陷的hcp结构，其致密和热稳定性在阻扩散上有先天的优势。即使CrSi2和MoSi2在长时高温过程中分解，Si元素也能起到捕获基体中的合金元素的作用，从而阻挡元素的互扩散。其三，CrSi2和MoSi2具有较高的热膨胀系数，与活性扩散障中α-Al2O3相比，更接近基体和涂层材料。
承上所述，本申请提供的扩散障材料晶体结构致密、抗高温氧化性能好、同时与基材间有良好的热膨胀匹配性，能够过抑制基体与涂层间合金组元互扩散，提高涂层抗高温氧化能力，避免互扩散导致基体力学性能降低，从而延长零件的服役寿命。
将上述扩散障材料用于加工燃机热端部件(如燃气轮机热端部件)可使燃机热端部件具有较长的服役寿命和较高的工作可靠性。
进一步地，本申请提出的高温涂层包括内层和用于防护的外层，内层的制备材料包括上述扩散障材料。
在一些实施方式中，外层的成分可包括Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf、Si、Nb、Ta、La、Re、Ru和Pt中的至少两种。可参考地，外层可包括PtAl涂层、NiAlRe涂层、AlSiY涂层、NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层、NiAlPtNb涂层、NiAlHfRu涂层、CoCrAlYSi涂层、NiCoCrAlYTa涂层、NiCrAlYLaB涂层、NiCoCrAlYHf涂层或NiCoCrAlYTaRe涂层。通过设置上述外层，可起到较佳的抗高温氧化作用。
值得说明的是，经发明人研究，当外层的成分仅含Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf、Si、Nb、Ta、La、Re、Ru和Pt中的一种时，或者由于自身熔点过低，或者由于氧化物疏松易剥落而无防护效果，或者成本较高无法实际应用。
在一些实施方式中，按质量百分数计，外层的成分可包括5-55％的Al、不超过65％的Ni、不超过65％的Co、不超过35％的Cr、不超过3％的Y、不超过3％的Hf、不超过5％的Si、不超过5％的Nb、不超过5％的Ta、不超过5％的La、不超过3％的Re、不超过3％的Ru以及不超过2％的B。
其中，外层母相元素主要为Ni、Co、Cr，其作用使提供良好塑性，如果母相元素过高，达不到抗高温氧化的效果；Al作为抗高温氧化主要元素，当含量小于5％时防护效果不明显，当高于55％时，容易形成脆性相；Y、Hf、Re、Ta、Si等作为微量有益元素用于促进Al2O3的快速形成和提高其粘附性，如果含量过高，容易在晶界析出形成有害相，导致涂层塑性和抗高温氧化性降低。
在一些实施方式中，内层的总厚度可以为0.5-10μm，如0.5μm、1μm、3μm、5μm、8μm或10μm等，也可以为0.5-10μm范围内的其它任一厚度值。
在一些实施方式中，外层的总厚度可以为10-100μm，如10μm、20μm、40μm、50μm、80μm或100μm等，也可以为10-100μm范围内的其它任一厚度值。
经检测，包括上述厚度的内层和外层的高温涂层在1150℃高温氧化后涂层与基体间无明显的互扩散，950℃热震100次后涂层没有发生明显剥落。
在一些实施方式中，上述高温涂层还可包括陶瓷层，陶瓷层设置于外层的外表面，以用于隔热和/或抗腐蚀。可参考地，陶瓷层可包括LaCeO层或YSZ层。此外，陶瓷层还可由其它陶瓷材料制得。
陶瓷层的厚度可以为100-500μm。
本申请还提出了一种上述高温涂层的制备方法，其可包括以下步骤：于内层的表面制备外层。
可参考地，内层的制备方式可以但不仅限于包括磁控溅射、化学气相沉积或电子束蒸发镀。实际操作时，可采用过上述方式于基体合金表面制备内层。
作为可选地，基体可以采用DD5单晶高温合金、DD6单晶高温合金、DZ22镍基高温合金、DZ125镍基高温合金、K403镍基高温合金、K417镍基高温合金、K423镍基高温合金、IC6单晶高温合金或GH605钴基高温合金。
较佳地，在制备内层前，可先对基体进行清理处理。例如，可将基体进行除油和清洗。除油可采用丙酮等有机试剂进行，清洗可采用无水乙醇等试剂进行。
在一些实施方式中，采用磁控溅射方式制备内层，制备条件可包括：基体温度为150-200℃，通氩气维持气压为0.3-0.6Pa，靶电流为1.5-2.3A，脉冲偏压为-200至-100V，离子源电流为0.9-1.2A。
在一些实施方式中，采用电子束蒸发镀方式制备内层，制备条件可包括：基体温度为800-850℃，真空度为3×10-2-3.5×10-2Pa，电压为20-25KV，电子枪电流为1.5-2A。
可参考地，外层的制备方法可以但不仅限于包括磁控溅射、电子束物理气相沉积、电弧离子镀、电弧喷涂、火焰喷涂、大气等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速空气燃料喷涂、冷喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积和脉冲电镀中的一种或多种组合。实际操作时，无需热处理，直接采用上述方式于内层的外表面制备外层。
在一些实施方式中，采用电弧离子镀方式制备外层，制备条件可包括：基体温度为300-350℃，氩气压力为1-2Pa，弧电流为110-120A，直流偏压为-50V至-150V，占空比为70-80％。
在一些实施方式中，采用电子束蒸发方式制备外层，制备条件可包括：600-800℃，真空度为2.5×10-2-3×10-2Pa，电压为18-22KV，电子枪电流为1.5-2A。
在一些实施方式中，采用低压等离子喷涂方式制备外层，制备条件可包括：氩气流量为30-60L/min，氢气流量为2-5L/min，喷涂功率为30-50kW，真空室压力为6-9kPa，送粉量为15-20g/min，喷距为150-250mm。
在一些实施方式中，采用磁控溅射方式制备外层，制备条件可包括：基体温度为100-150℃，氩气压力为0.2-0.6Pa，靶电流为1.5-3.0A，偏压为-100至-200V，离子源为1.0-2.0A。
在一些实施方式中，采用大气等离子喷涂方式制备外层，制备条件可包括：喷枪功率为60-80kW，Ar流量为150-200slpm，He流量为15-30slpm，喷距为80-150mm。
在一些实施方式中，采用超音速火焰喷涂方式制备外层，制备条件可包括：喷枪功率为2-4kW，气体流量为40-60m3/h，送粉量为3-6g/min，喷涂距离为200-400mm。
在一些实施方式中，采用脉冲电镀方式制备外层，制备条件可包括：温度为40-60℃，电流密度为5-9mA/cm2，pH为0.8-1.2。
在一些实施方式中，采用冷喷涂方式制备外层，制备条件可包括：气体温度为400-500℃，送粉压力为1.5-3MPa，Ar压力为2-5MPa，喷距为20-30mm。
进一步地，高温涂层的制备方还包括于外层的外表面设置陶瓷层。可参考地，陶瓷层的制备方法可以但不仅限于包括磁控溅射、电子束蒸发镀、电子束物理气相沉积、电弧喷涂、火焰喷涂、大气等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速空气燃料喷涂、冷喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积和脉冲电镀中的一种或多种组合。
在一些实施方式中，采用等离子喷涂-物理气相沉积方式制备陶瓷层，制备条件可包括：功率为100-150kW，Ar流量为20-40nlpm，N2流量为60-70nlpm，送粉量为10-20g/min，真空室压力为1-3Pa，喷距为800-1000mm。
在一些实施方式中，采用电子束蒸发镀方式制备陶瓷层，制备条件可包括：基体温度为700-800℃，真空度为0.5×10-2-1.0×10-2Pa，电压为14-18kV，电子枪电流为1-2A。
此外，本发明还提出了一种上述高温涂层在燃机热端部件(如燃气轮机热端部件)加工中的应用。
此外，本发明还提出了一种燃机热端部件(如燃气轮机热端部件)，其含有上述扩散障材料，优选的含有上述高温涂层，该燃机热端部件具有较长的服役寿命和较高的工作可靠性。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
基材采用DD5单晶高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用磁控溅射技术制备约0.5μm的MoSi2内层，MoSi2靶材的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，磁控溅射工艺参数：基体温度150℃，通氩气维持气压0.5Pa，靶电流2.0A，脉冲偏压-100V，离子源电流1.0A。再采用电弧离子镀制备约70μm的NiAlHfRu外层，电弧离子镀制备参数：基体温度350℃，氩气压力2Pa，弧电流120A，直流偏压-50V，占空比70％。
本实施例中，NiAlHfRu涂层的化学成分为：Ni含量50at.％，Al含量为49at.％，Hf含量为0.5at.％，Ru含量为0.5at.％。
将上述得到的NiAlHfRu/MoSi2/DD5涂层样品于1150℃的条件下进行氧化试验，10h后该样品的截面背散射像如图1所示。其结果显示，在1150℃氧化10小时后，NiAlHfRu/MoSi2/DD5涂层样品两个界面处结合良好，互扩散区厚度仅为9.4μm，远低于无扩散障时的30μm，未观察到明显的二次反应区形成。这说明MoSi2层能有效阻止合金元素的互扩散，抑制了由互扩散引起的二次反应区的形成。
实施例2
基材采用K417镍基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用磁控溅射技术制备约5μm的MoSi2内层。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，磁控溅射工艺参数：基体温度150℃，通氩气维持气压0.3Pa，靶电流1.5A，脉冲偏压-200V，离子源电流1.0A。再采用电子束蒸发镀法制备约50μm的NiCoCrAlYTa外层，制备参数：基体温度800℃，真空度3×10-2Pa，电压20KV，电子枪电流1.5A。
本实施例中，NiCoCrAlYTa涂层的化学成分为：Co含量18wt.％，Cr含量30wt.％，Al含量为10wt.％，Y含量为1.5wt.％，Ta含量：2wt.％，其余为Ni。
实施例3
基材采用DZ22镍基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用电子束蒸发制备约10μm的MoSi2内层，MoSi2蒸发源的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，电子束蒸发工艺参数：基体温度850℃，真空度：3.5×10-2Pa，电压：25KV，电子枪电流：2A。再采用低压等离子喷涂法直接制备约100μm的NiCoCrAlYHf外层，制备参数：氩气流量：50L/min，氢气流量：3L/min，喷涂功率：40kW，真空室压力：7kPa，送粉量：18g/min，喷距：200mm。
本实施例中，NiCoCrAlYHf涂层的化学成分为：Co含量15wt.％，Cr含量20wt.％，Al含量为8wt.％，Y含量为1.5wt.％，Hf含量2wt.％，其余为Ni。
实施例4
基材采用GH605钴基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用磁控溅射技术制备约2μm的MoSi2内层，MoSi2靶材的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，磁控溅射工艺参数：基体温度150℃，通氩气维持气压0.6Pa，靶电流1.5A，脉冲偏压-100V，离子源电流1.0A。再采用磁控溅射法在同一真空室中直接制备约20μmCoCrAlY外层，制备参数：基体温度150℃，氩气压力0.4Pa，靶电流2.5A，偏压-100V，离子源1.5A。
本实施例中，CoCrAlY涂层的化学成分为：Cr含量40wt.％，Al含量为15wt.％，Y含量为3wt.％，其余为Co。
实施例5
基材采用K423镍基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用电子束蒸发技术制备约8μm的MoSi2内层，MoSi2蒸发源的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，电子束蒸发工艺参数：基体温度850℃，真空度：3.5×10- 2Pa，电压：25KV，电子枪电流：2A。之后采用大气等离子喷涂技术制备约50μm的AlSiY外层，制备参数：喷枪功率70kW，Ar流量：190slpm，He流量：20slpm，喷距：100mm。
本实施例中，AlSiY涂层的化学成分为：Si含量为5wt.％，Y含量为2wt.％，其余为Al。
采用等离子喷涂-物理气相沉积200μm的YSZ层，制备参数：功率：130kW，Ar流量：30nlpm，N2流量：65nlpm，送粉量：18g/min，真空室压力：2Pa，喷距：900mm。
实施例6
基材采用DZ125镍基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用磁控溅射技术制备约1μm的CrSi2内层，CrSi2靶材的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，磁控溅射工艺参数：基体温度150℃，通氩气维持气压0.5Pa，靶电流1.8A，脉冲偏压-100V，离子源电流1.2A。再采用电弧离子镀制备约30μm的NiCrAlYLaB外层，制备参数：基体温度300℃，氩气压力1Pa，弧电流110A，直流偏压-50V，占空比80％。
本实施例中，NiCrAlYLaB涂层的化学成分为：Cr含量25wt.％，Al含量为7wt.％，Y含量为2wt.％，La含量：1wt.％，B含量：0.5wt.％，其余为Ni。
实施例7
基材采用K403镍基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用化学气相沉积技术制备约2μm的CrSi2内层。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，磁控溅射工艺参数：基体温度200℃，通氩气维持气压0.4Pa，靶电流2.3A，脉冲偏压-100V，离子源电流1.0A。再采用超音速火焰喷涂制备约40μm的CoCrAlYSi外层，制备参数：喷枪功率3kW，气体流量：50m3/h，送粉量：5g/min，喷涂距离：300mm。
本实施例中，NiCrAlYLaB涂层的化学成分为：Cr含量18wt.％，Al含量为12wt.％，Y含量为3wt.％，Si含量：1.5wt.％，其余为Co。
实施例8
基材采用IC6单晶高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用磁控溅射技术制备约3μm的CrSi2内层，CrSi2靶材的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，磁控溅射工艺参数：基体温度200℃，通氩气维持气压0.4Pa，靶电流1.8A，脉冲偏压-150V，离子源电流0.9A。再采用脉冲电镀技术制备约50μm的NiAlPtNb外层，制备参数：温度50℃，电流密度为7mA/cm2，pH为1.0。
本实施例中，NiAlPtNb涂层的化学成分为：Al含量为45wt.％，Pt含量为6.5wt.％，Nb含量：0.1wt.％，其余为Ni。
实施例9
基材采用DD5单晶高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用电子束蒸发技术制备约6μm的CrSi2内层，CrSi2蒸发源的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，电子束蒸发工艺参数：基体温度800℃，真空度：3.0×10- 2Pa，电压：23KV，电子枪电流：1.5A。之后采用冷喷涂技术制备约60μm的NiCrAlY外层，制备参数：气体温度450℃，送粉压力：2MPa，Ar压力：3MPa，喷距：25mm。
本实施例中，NiCrAlY涂层的化学成分为：Cr含量36wt.％，Al含量为9wt.％，Y含量为3wt.％，其余为Ni。
将上述得到的NiCrAlY/CrSi2/DD5涂层样品于1150℃的条件下进行氧化试验，120h后该样品的截面显微图像如图2所示。其结果显示，在1150℃氧化120小时后，NiCrAlY/CrSi2/DD5涂层样品两个界面处结合良好，扩散障(内层)下方的互扩散区/二次反应区厚度仅为21μm，这说明CrSi2层能有效阻止合金元素的互扩散，抑制了由互扩散引起的二次反应区的形成。
实施例10
基材采用DD6单晶高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，首先采用电子束蒸发技术制备约9μm的CrSi2内层，CrSi2蒸发源的纯度为99.95wt％。基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，电子束蒸发工艺参数：基体温度800℃，真空度：3.0×10- 2Pa，电压：20kV，电子枪电流：2A。之后在同一真空室中采用电子束蒸发技术制备约90μm的NiCoCrAlYTaRe外层，制备参数：基体温度800℃，真空度：2.5×10-2Pa，电压：20kV，电子枪电流：2A。
本实施例中，NiCoCrAlYTaRe涂层的化学成分为：Co含量15wt.％，Cr含量25wt.％，Al含量为7wt.％，Ta含量1wt.％，Y含量为0.5wt.％，Hf含量0.5wt.％，其余为Ni。再在同一真空室中采用电子束蒸发技术制备约180μm的La2(Zr0.7Ce0.3)2O7，工艺参数：基体温度780℃，真空度：1.0×10-2Pa，电压：16kV，电子枪电流：1.5A。
对比例1
基材采用DD5镍基高温合金，尺寸为20mm×10mm×3mm，基体试样经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干放入真空腔室，再采用电弧离子镀制备约70μm的NiAlHfRu外层，电弧离子镀制备参数：基体温度350℃，氩气压力2Pa，弧电流120A，直流偏压-50V，占空比70％。本对比例中，NiAlHfRu涂层的化学成分为：Ni含量50at.％，Al含量为49at.％，Hf含量为0.5at.％，Ru含量为0.5at.％。
对上述没有内层的NiAlHfRu/DD5样品(与实施例1相比，区别仅在于不含MoSi2内层)进行截面形貌观察并分析合金元素分布，其结果如图3所示。由图可以看出，经过1150℃10小时氧化后NiAlHfRu/DD5样品互扩散加剧，互扩散层下方有二次反应区(SRZ)形成(33μm)，NiAlHfRu防护涂层表面保护性氧化膜发生明显剥落。实际上，没有内层时仅在热处理状态下，就可以观察到明显的互扩散区(IDZ)。
由此可以说明，本申请所提供的制备方法能够有效形成CrSi2或MoSi2阻扩散层，实现防护涂层与高温基体之间的阻扩散。
综上所述，本申请提供的扩散障材料具有很好的高温稳定性和高温抗氧化性。高温涂层能够抑制基体与涂层间合金组元互扩散，提高涂层抗高温氧化能力，同时避免互扩散导致基体力学性能降低，延长零件的服役寿命。高温涂层的制备方法简单，易操作，成熟可靠，重复性好，易于实现大面积工业化加工。上述扩散障材料和高温涂层均可用于燃机热端部件的加工，含有上述扩散障材料或高温涂层的燃机热端部件具有较长的服役寿命和较高的工作可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扩散障材料的应用，其特征在于，所述扩散障材料用于加工燃机热端部件；
所述扩散障材料的成分包括MeSi2，其中，Me包括Cr或Mo。
2.一种高温涂层，其特征在于，包括内层和用于防护的外层，所述内层的制备材料包括扩散障材料；
所述扩散障材料的成分包括MeSi2，其中，Me包括Cr或Mo。
3.根据权利要求2所述的高温涂层，其特征在于，所述外层的成分包括Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf、Si、Nb、Ta、La、Re、Ru和Pt中的至少两种；
优选地，按质量百分数计，所述外层的成分包括5-55％的Al、不超过65％的Ni、不超过65％的Co、不超过35％的Cr、不超过3％的Y、不超过3％的Hf、不超过5％的Si、不超过5％的Nb、不超过5％的Ta、不超过5％的La、不超过3％的Re、不超过3％的Ru以及不超过2％的B；
优选地，所述外层包括PtAl涂层、NiAlRe涂层、AlSiY涂层、NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层、NiAlPtNb涂层、NiAlHfRu涂层、CoCrAlYSi涂层、NiCoCrAlYTa涂层、NiCrAlYLaB涂层、NiCoCrAlYHf涂层或NiCoCrAlYTaRe涂层。
4.根据权利要求2所述的高温涂层，其特征在于，所述内层的总厚度为0.5-10μm；
优选地，所述外层的总厚度为10-100μm。
5.根据权利要求2-4任一项所述的高温涂层，其特征在于，还包括陶瓷层，所述陶瓷层设置于所述外层的外表面；
优选地，所述陶瓷层包括LaCeO层或YSZ层；
优选地，所述陶瓷层的厚度为100-500μm。
6.如权利要求2-4任一项所述的高温涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：于所述内层的表面制备所述外层；
优选地，所述外层的制备方法包括磁控溅射、电子束物理气相沉积、电弧离子镀、电弧喷涂、火焰喷涂、大气等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速空气燃料喷涂、冷喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积和脉冲电镀中的一种或多种组合；
优选地，采用电弧离子镀方式制备外层时，制备条件包括：基体温度为300-350℃，氩气压力为1-2Pa，弧电流为110-120A，直流偏压为-50V至-150V，占空比为70-80％；
优选地，采用电子束蒸发方式制备外层时，制备条件包括：基体温度为600-800℃，真空度为2.5×10-2-3×10-2Pa，电压为18-22KV，电子枪电流为1.5-2A；
优选地，采用低压等离子喷涂方式制备外层时，制备条件包括：氩气流量为30-60L/min，氢气流量为2-5L/min，喷涂功率为30-50kW，真空室压力为6-9kPa，送粉量为15-20g/min，喷距为150-250mm；
优选地，采用磁控溅射方式制备外层时，制备条件包括：基体温度为100-150℃，氩气压力为0.2-0.6Pa，靶电流为1.5-3.0A，偏压为-100至-200V，离子源为1.0-2.0A；
优选地，采用大气等离子喷涂方式制备外层时，制备条件包括：喷枪功率为60-80kW，Ar流量为150-200slpm，He流量为15-30slpm，喷距为80-150mm；
优选地，采用超音速火焰喷涂方式制备外层时，制备条件包括：喷枪功率为2-4kW，气体流量为40-60m3/h，送粉量为3-6g/min，喷涂距离为200-400mm；
优选地，采用脉冲电镀方式制备外层时，制备条件包括：温度为40-60℃，电流密度为5-9mA/cm2，pH为0.8-1.2；
优选地，采用冷喷涂方式制备外层时，制备条件包括：气体温度为400-500℃，送粉压力为1.5-3MPa，Ar压力为2-5MPa，喷距为20-30mm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述内层的制备方式包括磁控溅射、化学气相沉积或电子束蒸发镀；
优选地，采用磁控溅射方式制备内层时，制备条件包括：基体温度为150-200℃，通氩气维持气压为0.3-0.6Pa，靶电流为1.5-2.3A，脉冲偏压为-200至-100V，离子源电流为0.9-1.2A；
优选地，采用电子束蒸发镀方式制备内层时，制备条件包括：基体温度为800-850℃，真空度为3×10-2-3.5×10-2Pa，电压为20-25KV，电子枪电流为1.5-2A。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括于所述外层的外表面设置陶瓷层；
优选地，所述陶瓷层的制备方法包括磁控溅射、电子束蒸发镀、电子束物理气相沉积、电弧喷涂、火焰喷涂、大气等离子喷涂、真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速空气燃料喷涂、冷喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积和脉冲电镀中的一种或多种组合；
优选地，采用等离子喷涂-物理气相沉积方式制备陶瓷层时，制备条件包括：功率为100-150kW，Ar流量为20-40nlpm，N2流量为60-70nlpm，送粉量为10-20g/min，真空室压力为1-3Pa，喷距为800-1000mm；
优选地，采用电子束蒸发镀方式制备陶瓷层时，制备条件包括：基体温度为700-800℃，真空度为0.5×10-2-1.0×10-2Pa，电压为14-18kV，电子枪电流为1-2A。
9.如权利要求2-5任一项所述的高温涂层在燃机热端部件加工中的应用。
10.一种燃机热端部件，其特征在于，所述燃机热端部件含有扩散障材料；
所述扩散障材料的成分包括MeSi2，其中，Me包括Cr或Mo；
优选地，所述燃机热端部件含有如权利要求2-5任一项所述的高温涂层。
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