CN114086101A - 一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法，所述热障涂层包括由内至外依次设置在基体合金上的MCrAlY粘结层、Al‑Cr共渗层和ZrO2‑6～8Y2O3陶瓷层，M＝Ni或Co或Ni+Co。其中所述的Al‑Cr共渗涂层为在MCrAlY粘结层表面进行Al‑Cr共渗，内扩散形成内层富Cr的改性铝化物涂层。本发明的热障涂层与未进行Al‑Cr共渗处理的传统热障涂层相比，高温氧化速率明显更低，抗高温氧化和热腐蚀性能更为优异。本发明的热障涂层生产工艺简单、效率高、性能优异且稳定，适合规模化应用于航空发动机、燃气轮机的热端部件。

Description

一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法
技术领域
本发明属于热障涂层的制备技术领域，尤其是涉及一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法。
背景技术
热障涂层是提高先进航空发动机、燃气轮机热端部件使用温度最有效的手段，是先进燃气轮机不可或缺的关键技术之一，目前在燃气轮机中应用最为广泛的热障涂层材料为8YSZ(6％～8％Y2O3部分稳定ZrO2)作为陶瓷层和MCrAlY(M＝Ni或Co或Ni+Co)作为粘结层。热障涂层的高温抗氧化性能主要依靠MCrAlY粘结层，热障涂层在高温服役过程中，会在MCrAlY粘结层表面生成致密、氧扩散系数较低的α-Al2O3氧化膜，即热生长氧化层(TGO)。TGO层是制约热障涂层服役寿命的关键，它可有效阻止气相氧向合金基体的扩散，延缓氧元素与其他合金元素氧化反应的进行，进而达到抗高温氧化的作用。而如何形成这层连续致密的保护膜已成为国内外学者研究的热点之一。并且，热障涂层在服役过程中，不可避免将发生热腐蚀行为。热腐蚀发生后，氧化膜将逐渐失去保护能力，热腐蚀产生的疏松多孔的腐蚀产物将使得热障涂层体系中的应力急剧增大，导致陶瓷隔热层剥落。热腐蚀被认为是一种加速的氧化反应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法。本发明是通过在MCrAlY涂层表面进行Al-Cr共渗，内扩散形成改性铝化物涂层。该涂层外层富Al，可较快形成Al2O3保护膜，提高涂层抗氧化性能；内层富Cr，可提高涂层的抗热腐蚀能力，并可减轻MCrAlY涂层与铝化物的互扩散，促进Al2O3膜的形成。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层，包括由内至外依次设置在基体合金上的MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层和ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层，M＝Ni或Co或Ni+Co。
本发明进一步的改进在于，所述的Al-Cr共渗层为在MCrAlY粘结层表面进行Al-Cr共渗，内扩散形成内层富Cr的改性铝化物涂。
本发明进一步的改进在于，MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层、陶瓷层的厚度范围分别为50～150μm、5～30μm、300～600μm。
本发明进一步的改进在于，MCrAlY粘结层的化学成分可调，控制在与基体合金Ni、Co、Cr、Al或Y元素含量相近。
本发明进一步的改进在于，MCrAlY粘结层采用超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂方法制备，Al-Cr共渗层采用一步法共渗制备，ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层采用大气等离子喷涂方法制备。
本发明进一步的改进在于，制备MCrAlY粘结层时，所述的超音速火焰喷涂工艺参数中：空气压力为0.5～1.2MPa，燃料压力为0.6～1.5MPa，送粉气体压力为0.8～1.5MPa，送粉速度为30～80g/min，喷涂距离为200～400mm，喷枪移动速度为80～200mm/s；所述的大气等离子喷涂工艺参数中：电压为70～100V，电流为400～600A，主气和副气压力为0.4～1.2MPa，送粉气体流量为10～50L/min，喷涂距离为100～200mm，喷枪行走速度为200～500mm/s，其中燃料为丙烷和氧气，送粉气体为N2。
本发明进一步的改进在于，制备Al-Cr共渗层时，共渗剂中Cr和Al的含量比为20％～40％:79％～56％，外加1％～4％NH4Cl活化剂；工艺温度为700～900℃，保温时间为12～20h。
本发明进一步的改进在于，制备ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层时，电压为50～100V，电流为400～600A，主气和副气压力为0.4～0.8MPa，送粉气体流量为4～8L/min，喷涂距离为100～150mm，行走速度为20～50mm/s，送粉气体为N2。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法，通过在MCrAlY涂层表面进行Al-Cr共渗，内扩散形成内层富Cr的铬改性铝化物涂层。该Al-Cr共渗层可有效改善MCrAlY粘结层的抗高温氧化性能和热腐蚀性能，并且可防止富镍β相在快冷中发生马氏体转变，减缓涂层性能退化；本发明的热障涂层生产工艺简单、效率高、性能优异且稳定，适合规模化应用于航空发动机、燃气轮机的热端部件。
附图说明
图1为一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层样品。
具体实施方式
下面将详细地描述本公开的示例性实施例。然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层，包括由内至外依次设置在基体合金上的MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层和ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层，M＝Ni或Co或Ni+Co。
所述的Al-Cr共渗层为在MCrAlY粘结层表面进行Al-Cr共渗，内扩散形成内层富Cr的改性铝化物涂。MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层、陶瓷层的厚度范围分别为50～150μm、5～30μm、300～600μm。
MCrAlY粘结层的化学成分可调，控制在与基体合金Ni、Co、Cr、Al或Y元素含量相近。
MCrAlY粘结层采用超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂方法制备，Al-Cr共渗层采用一步法共渗制备，ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层采用大气等离子喷涂方法制备。
制备MCrAlY粘结层时，所述的超音速火焰喷涂工艺参数中：空气压力为0.5～1.2MPa，燃料压力为0.6～1.5MPa，送粉气体压力为0.8～1.5MPa，送粉速度为30～80g/min，喷涂距离为200～400mm，喷枪移动速度为80～200mm/s；所述的大气等离子喷涂工艺参数中：电压为70～100V，电流为400～600A，主气和副气压力为0.4～1.2MPa，送粉气体流量为10～50L/min，喷涂距离为100～200mm，喷枪行走速度为200～500mm/s，其中燃料为丙烷和氧气，送粉气体为N2。
制备Al-Cr共渗层时，共渗剂中Cr和Al的含量比为20％～40％:79％～56％，外加1％～4％NH4Cl活化剂；工艺温度为700～900℃，保温时间为12～20h。
制备ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层时，电压为50～100V，电流为400～600A，主气和副气压力为0.4～0.8MPa，送粉气体流量为4～8L/min，喷涂距离为100～150mm，行走速度为20～50mm/s，送粉气体为N2。
实施例1
实施例1主要测试本发明提供的热障涂层的抗高温氧化性能。实施例1的两种热障涂层的基体合金均采用DZ411镍基高温合金，试样尺寸为30mm×10mm×1.5mm。其中热障涂层1采用ZrO2 8Y2O3(Metco 204NS)陶瓷粉末作为陶瓷层的原始材料，采用Ni23Co17Cr12Al0.5Y(Amdry 365-1)镍基高温合金粉末作为粘结层的原始材料，采用40％铬铁粉+59％铝铁粉作为Al-Cr共渗层的共渗剂，外加1％NH4Cl。热障涂层2采用ZrO2 8Y2O3(Metco 204NS)陶瓷粉末作为陶瓷层的原始材料，采用Ni23Co17Cr12Al0.5Y(Amdry 365-1)镍基高温合金粉末作为粘结层的原始材料。实施例1中热障涂层1的厚度、制备工艺参数见表1，热障涂层2与热障涂层1的区别仅为无Al-Cr共渗层。
表1实施例1中热障涂层1的厚度及制备工艺参数
Figure BDA0003365329970000051
实施例1制备的两种热障涂层在1100℃温度条件下分别氧化500小时，氧化增重数据见表2。由表2可以看出，有Al-Cr共渗层的热障涂层1的氧化速度相对较低，且达到了完全抗氧化级。
表2实施例1的两种热障涂层在1100℃温度条件下氧化500小时的氧化增重数据
涂层 氧化时间/h 平均增重(g/m<sup>2</sup>) 平均氧化速度(g/m<sup>2</sup>·h)
热障涂层1 100 14.3221 0.143
热障涂层2 100 16.2774 0.163
热障涂层1 200 15.9486 0.079
热障涂层2 200 18.5783 0.093
热障涂层1 300 17.6581 0.059
热障涂层2 300 20.8386 0.069
热障涂层1 500 18.7059 0.037
热障涂层2 500 21.8571 0.044
实施例2
热障涂层的抗热腐蚀性能与粘结层息息相关，实施例2主要测试本发明提供的热障涂层粘结层的抗热腐蚀性能。实施例2的两种粘结层的基体合金均采用FSX-414钴基高温合金，试样尺寸为
Figure BDA0003365329970000062
如图1所示。其中粘结层1采用Co32Ni21Cr8Al0.5Y(Diamalloy 4700)钴基高温合金粉末作为粘结层的原始材料，采用35％铬铁粉+63％铝铁粉作为Al-Cr共渗层共渗剂，外加2％NH4Cl；涂层2采用Co32Ni21Cr8Al0.5Y(Diamalloy4700)钴基高温合金粉末作为粘结层的原始材料。实施例2的两种粘结层的厚度、制备工艺参数见表3。
表3实施例2两种粘结层的厚度及制备工艺参数
Figure BDA0003365329970000061
Figure BDA0003365329970000071
采用涂盐法测试实施例2中两种粘结层的热腐蚀性能，腐蚀剂为Na2SO4/NaCl(质量分数75％：25％)。试验时，将腐蚀剂均匀涂覆在涂层试样表面，腐蚀剂浓度约为1～1.5mg/cm2，试验仪器为马弗炉，试验温度为900℃保温200h，空冷。样品冷却后在去离子水中煮沸2次，直至残留在试样表面的盐膜完全溶解。
通过热腐蚀后涂层的表面形貌观察，粘结层2即单纯的Co32Ni21Cr8Al0.5Y粘结层热腐蚀100h后，氧化膜中出现宏观裂纹，氧化膜发生了大量剥落，且氧化膜表面产生了大量的腐蚀坑。粘结层1由于在Co32Ni21Cr8Al0.5Y粘结层表面进行了Al-Cr共渗，形成了渗铝层，该涂层热腐蚀200h后，氧化膜表面无可见的裂纹及腐蚀坑，氧化膜仅在局部位置发生剥落，且剥落位置新形成的氧化膜为致密的α-Al2O3。对比表明：本发明提供的热障涂层的抗热腐蚀性能更加优异。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层，其特征在于，包括由内至外依次设置在基体合金上的MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层和ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层，M＝Ni或Co或Ni+Co。
2.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层，其特征在于，所述的Al-Cr共渗层为在MCrAlY粘结层表面进行Al-Cr共渗，内扩散形成内层富Cr的改性铝化物涂。
3.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层，其特征在于，MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层、陶瓷层的厚度范围分别为50～150μm、5～30μm、300～600μm。
4.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层，其特征在于，MCrAlY粘结层的化学成分可调，控制在与基体合金Ni、Co、Cr、Al或Y元素含量相近。
5.权利要求1至4中任一项所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，MCrAlY粘结层采用超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂方法制备，Al-Cr共渗层采用一步法共渗制备，ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层采用大气等离子喷涂方法制备。
6.根据权利要求5所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，制备MCrAlY粘结层时，所述的超音速火焰喷涂工艺参数中：空气压力为0.5～1.2MPa，燃料压力为0.6～1.5MPa，送粉气体压力为0.8～1.5MPa，送粉速度为30～80g/min，喷涂距离为200～400mm，喷枪移动速度为80～200mm/s；所述的大气等离子喷涂工艺参数中：电压为70～100V，电流为400～600A，主气和副气压力为0.4～1.2MPa，送粉气体流量为10～50L/min，喷涂距离为100～200mm，喷枪行走速度为200～500mm/s，其中燃料为丙烷和氧气，送粉气体为N2。
7.根据权利要求5所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，制备Al-Cr共渗层时，共渗剂中Cr和Al的含量比为20％～40％:79％～56％，外加1％～4％NH4Cl活化剂；工艺温度为700～900℃，保温时间为12～20h。
8.根据权利要求5所述的一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，制备ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层时，电压为50～100V，电流为400～600A，主气和副气压力为0.4～0.8MPa，送粉气体流量为4～8L/min，喷涂距离为100～150mm，行走速度为20～50mm/s，送粉气体为N2。
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