CN117144192B - 一种高温合金用单相β相粘结层合金及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金用单相β相粘结层合金及其应用，属于材料表面改性和涂层技术领域。本发明的单相β相粘结层合金，化学成分及质量百分比如下：Al为19.5‑19.0two％，Co为10.5‑10.0wt％，Cr为7.4‑6.9wt％，Ta为1.0‑0.8wt％，Ti为0.3‑0.2wt％，其余为Ni。800℃温度下粘结层合金由单相β相组成。本发明以镍基高温合金为基础，在提高合金中Al元素含量的前提下，通过确定β相的的元素组成，最终确定单相β相粘结层的成分。其中β相以NiAl相为基础，含有较多的Al元素，可以提供足够的Al元素用于生成粘结层表面的Al₂O₃膜。

Description

一种高温合金用单相β相粘结层合金及其应用

技术领域

本发明属于材料表面改性和涂层制备技术领域，具体涉及一种高温合金用单相β相粘结层合金及其应用。

背景技术

新一代燃气轮机拥有更高功率及更大推力，使得燃气轮机热端部件的涡轮叶片承受更高温度的热流冲击。通过热障涂层技术可有效提升热端部件基体材料的耐热温度约150℃，效果显著。

热障涂层主要由顶层陶瓷层和底层粘结层双层结构构成，其中陶瓷层凭借其特殊的孔隙结构，具有较低的热导率，从而起到隔热的作用。粘结层在热障涂层体系中主要起到三个作用，一是缓解顶层陶瓷层和基体合金的热膨胀不匹配，二是加强与顶层陶瓷层的结合，三是起到抗氧化抗腐蚀的基体屏障的作用。常见的粘结层体系有NiAl粘结层、MCrAlY粘结层。其中MCrAlY是近年来使用最为广泛的一种粘结层体系，M一般表示Ni、Co或Ni-Co。MCrAlY中的Cr元素用于增强粘结层的抗氧化及硫化性能，Al元素用于在涂层表面形成致密Al₂O₃膜从而防止涂层进一步被氧化。少量Y元素的加入可促进Al₂O₃膜的形成并提高其结合强度。

然而，粘结层在使用过程中会出现一些问题，最终导致涂层的失效甚至剥落。粘结层中Al元素的缺失会导致涂层表面不能生成致密单一的Al₂O₃膜，其它元素也会参与氧化膜的生成，最终形成Cr₂O₃、NiO等组成的复合氧化膜及尖晶石相类金属氧化物，这种复合氧化膜氧化物的生成及快速增厚使涂层内部产生较大内应力，最终引起涂层开裂失效。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高温合金用单相β相粘结层合金及其应用，以解决现有技术由于Al元素缺失导致生成其他组成的复合氧化膜而致使涂层内部产生较大内应力引起开裂的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种高温合金用单相β相粘结层合金，其化学成分以质量百分比计，包括：19.0％-19.5％的Al，10.0％-10.5％的Co，6.9％-7.4％的Cr，0.8％-1.0％的Ta，0.2％-0.3％的Ti，余量为Ni。

优选地，该单相β相粘结层合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成。

优选地，该单相β相粘结层合金经过800℃、100h的氧化时间后，平均氧化速度为0.035 -0.039g·m^-2·h^-1。

优选地，该高温合金用单相β相粘结层合金在熔炼时将熔炼原料放入反应设备中，抽真空至10^-3Pa以下，然后充入氩气使反应设备内压力维持在0.5MPa附近，然后进行熔炼，冷却后得到合金铸锭即高温合金用单相β相粘结层合金。

进一步优选地，所述熔炼原料按照熔点由高至低的顺序放入反应设备。

进一步优选地，熔炼原料按照熔点由高至低依次采用纯金属Al、Co、Cr、Ta、Ti和Ni。

进一步优选地，所述反应设备为真空感应悬浮熔炼设备。

本发明还公开了上述的高温合金用单相β相粘结层合金作为热障涂层的应用。

本发明还公开了上述的高温合金用单相β相粘结层合金在制备燃气轮机热端部件中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的高温合金用单相β相粘结层合金以镍基高温合金为基础，在提高合金中Al元素含量的前提下，通过确定β相的的元素组成，最终确定单相β相β相以NiAl相为基础，一方面，本发明以镍基高温合金为基础，最大程度保证粘结层合金与基体元素组成相似；另一方面，含有较多的Al元素，本发明所设计的单相β相粘结层合金由单一的β相组成，不含有脆性相或有害相；其中β相可以提供足够的Al元素用于生成粘结层表面的Al₂O₃膜，保证粘结层具有抗高温氧化能力，因此可以有效避免由于Al元素缺失导致生成其他氧化物而形成复合氧化膜，也就是说本发明的合金表面氧化膜仅由单一的Al₂O₃膜组成，未出现内氧化及复合氧化物，因此不会致使涂层内部产生较大的内应力而引起涂层开裂失效。

附图说明

图1为实施例1制得的合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线；

图2为实施例2制得的合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线；

图3为实施例3制得的合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线；

图4为实施例4制得的合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线；

图5为实施例5制得的合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明公开的一种高温合金用单相β相粘结层合金，化学成分及质量百分比如下：Al为19.5-19.0wt％，Co为10.5-10.0wt％，Cr为7.4-6.9wt％，Ta为1.0-0.8wt％，Ti为0.3-0.2wt％，其余为Ni。800℃温度下粘结层合金由单相β相组成。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

本实施例的高温合金用单相β相粘结层合金化学成分及重量百分比如下：Al为19.5wt％，Co为10.5wt％，Cr为7.4wt％，Ta为1.0wt％，Ti为0.3wt％，其余为Ni。

本发明的高温合金用单相β相粘结层合金制备方法如下：合金使用真空感应悬浮熔炼法进行制备，首先将熔炼原料纯金属Al、Co、Cr、Ta、Ti和Ni按照熔点高至低的顺序依次放入真空感应悬浮熔炼的水冷铜坩埚中；然后使用真空泵对所述熔炼炉进行抽真空至10^{- 3}Pa以下，随后充入氩气至炉内压力维持在0.5MPa附近；接着进行熔炼，冷却得到合金铸锭即高温合金用单相β相粘结层合金。

将单相β相粘结层合金放置于大气马弗炉中进行高温氧化实验，结果参见图1，为本实施例制得的高温合金用单相β相粘结层合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线。经过800℃、100h氧化时间后，合金平均氧化速度为 合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成，未出现内氧化及复合氧化物。

实施例2

本实施例的高温合金用单相β相粘结层合金化学成分及重量百分比如下：Al为19.3wt％，Co为10.3wt％，Cr为7.4wt％，Ta为1.0wt％，Ti为0.28wt％，其余为Ni。

本发明的高温合金用单相β相粘结层合金制备方法如下：合金使用真空感应悬浮熔炼法进行制备，首先将熔炼原料纯金属Al、Co、Cr、Ta、Ti和Ni按照熔点高至低的顺序依次放入真空感应悬浮熔炼的水冷铜坩埚中；然后使用真空泵对所述熔炼炉进行抽真空至10^{- 3}Pa以下，随后充入氩气至炉内压力维持在0.5MPa附近；接着进行熔炼，最终冷却得到合金铸锭。

将单相β相粘结层合金放置于大气马弗炉中进行高温氧化实验，结果参见图2，为本实施例制得的高温合金用单相β相粘结层合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线。经过800℃、100h氧化时间后，合金平均氧化速度为 合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成，未出现内氧化及复合氧化物。

实施例3

本实施例的高温合金用单相β相粘结层合金化学成分及重量百分比如下：Al为19.4wt％，Co为10.4wt％，Cr为7.5wt％，Ta为0.8wt％，Ti为0.25wt％，其余为Ni。

本发明的高温合金用单相β相粘结层合金制备方法如下：合金使用真空感应悬浮熔炼法进行制备，首先将熔炼原料纯金属Al、Co、Cr、Ta、Ti和Ni按照熔点高至低的顺序依次放入真空感应悬浮熔炼的水冷铜坩埚中；然后使用真空泵对所述熔炼炉进行抽真空至10^{- 3}Pa以下，随后充入氩气至炉内压力维持在0.5MPa附近；接着进行熔炼，最终冷却得到合金铸锭。

将单相β相粘结层合金放置于大气马弗炉中进行高温氧化实验，结果参见图3，为本实施例制得的高温合金用单相β相粘结层合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线。经过800℃、100h氧化时间后，合金平均氧化速度为 合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成，未出现内氧化及复合氧化物。

实施例4

本实施例的高温合金用单相β相粘结层合金化学成分及重量百分比如下：Al为19.2wt％，Co为10.3wt％，Cr为7.6wt％，Ta为0.9wt％，Ti为0.28wt％，其余为Ni。

本发明的高温合金用单相β相粘结层合金制备方法如下：合金使用真空感应悬浮熔炼法进行制备，首先将熔炼原料纯金属Al、Co、Cr、Ta、Ti和Ni按照熔点高至低的顺序依次放入真空感应悬浮熔炼的水冷铜坩埚中；然后使用真空泵对所述熔炼炉进行抽真空至10^{- 3}Pa以下，随后充入氩气至炉内压力维持在0.5MPa附近；接着进行熔炼，最终冷却得到合金铸锭。

将单相β相粘结层合金放置于大气马弗炉中进行高温氧化实验，结果参见图4，为本实施例制得的高温合金用单相β相粘结层合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线。经过800℃、100h氧化时间后，合金平均氧化速度为 合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成，未出现内氧化及复合氧化物。

实施例5

本实施例的高温合金用单相β相粘结层合金化学成分及重量百分比如下：Al为19.0wt％，Co为10.2wt％，Cr为7.4wt％，Ta为1.0wt％，Ti为0.29wt％，其余为Ni。

本发明的高温合金用单相β相粘结层合金制备方法如下：合金使用真空感应悬浮熔炼法进行制备，首先将熔炼原料纯金属Al、Co、Cr、Ta、Ti和Ni按照熔点高至低的顺序依次放入真空感应悬浮熔炼的水冷铜坩埚中；然后使用真空泵对所述熔炼炉进行抽真空至10^{- 3}Pa以下，随后充入氩气至炉内压力维持在0.5MPa附近；接着进行熔炼，最终冷却得到合金铸锭。

将单相β相粘结层合金放置于大气马弗炉中进行高温氧化实验，结果参见图5，为本实施例制得的高温合金用单相β相粘结层合金在800℃下氧化100h氧化动力学曲线。经过800℃、100h氧化时间后，合金平均氧化速度为 合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成，未出现内氧化及复合氧化物。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种高温合金用单相β相粘结层合金，其特征在于，其化学成分以质量百分比计，包括：19.0%-19.5%的Al，10.0%-10.5%的Co，6.9%-7.4%的Cr， 0.8%-1.0%的Ta，0.2 %-0.3%的Ti，余量为Ni；

该单相β相粘结层合金经过800℃、100h的氧化时间后，平均氧化速度为0.035-0.039g·m^-2·h^-1。

2.根据权利要求1所述的高温合金用单相β相粘结层合金，其特征在于，该单相β相粘结层合金表面氧化膜由单一的Al₂O₃膜组成。

3.根据权利要求1所述的高温合金用单相β相粘结层合金，其特征在于，该高温合金用单相β相粘结层合金在熔炼时将熔炼原料放入反应设备中，抽真空至10^-3Pa以下，然后充入氩气使反应设备内压力维持在0.5MPa附近，然后进行熔炼，冷却后得到合金铸锭即高温合金用单相β相粘结层合金。

4.根据权利要求3所述的高温合金用单相β相粘结层合金，其特征在于，所述熔炼原料按照熔点由高至低的顺序放入反应设备。

5.根据权利要求4所述的高温合金用单相β相粘结层合金，其特征在于，熔炼原料按照熔点由高至低依次采用纯金属Ta、Cr、Ti、Co、Ni和Al。

6.根据权利要求3所述的高温合金用单相β相粘结层合金，其特征在于，所述反应设备为真空感应悬浮熔炼设备。

7.权利要求1~6中任意一项所述的高温合金用单相β相粘结层合金作为热障涂层的应用。

8.权利要求1~6中任意一项所述的高温合金用单相β相粘结层合金在制备燃气轮机热端部件中的应用。