[发明专利]一种MCrAlY加复合梯度涂层及制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及高温防护涂层技术，具体地说是一种MCrAlY加复合梯度高温防 护涂层及制备方法。

背景技术

作为一种具有良好抗氧化、抗热腐蚀性能的MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co) 包覆涂层，已被广泛应用于航空发动机、燃气轮机叶片等耐热部件的防护，它既 可以单独使用，也可以作为粘接层(bond coat)与表面陶瓷层(如Y₂O₃部分稳定 的ZrO₂)一起构成热障涂层(TBCs，即thermal barrier coatings)体系，来提高部 件的抗高温氧化、抗热腐蚀性能，延长部件的服役寿命。相关应用的文献如：① 中国发明专利，一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法，申请号01133423.1；②中国 发明专利，一种抗氧化热障涂层及制备方法，申请号02133193.6；③中国发明专 利，一种抗热冲击热障涂层的制备方法，申请号03133344.3；④中国发明专利，一 种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀涂层及其制备方法，申请号03111363.X；等等。

对于高温合金及高温防护涂层部件，氧化是导致部件失效的重要原因之一， 其抗氧化性能的提高主要依赖于表面缓慢生长的Al₂O₃膜。在高温下，均匀致密 的氧化铝膜，特别是α-Al₂O₃膜拥有优异的热稳定性，元素在其内部的扩散系数 非常小，因此高温合金或高温防护涂层内通常希望加入较高含量的Al元素，利用 Al的选择性氧化生成单一的均匀Al₂O₃膜来保护内部基体不受氧化或降低氧化速 率，延长部件使用寿命。Ni基高温防护MCrAlY涂层中常见的Al元素金属间化 合物有Ni₂Al₃，β-NiAl和γ′-Ni₃Al等，其中Ni₂Al₃相较脆，γ′-Ni₃Al中Al含量太 低而不能长时间维持生成单一的Al₂O₃膜，而β-NiAl以同时具有较高Al含量及 相对良好的力学性能作为涂层中常见的Al存储相(Al-reservoir)。

长时间的高温氧化及涂层与基体的元素互扩散是导致涂层体系失效的重要 原因，其特点是Al元素存储相被大量消耗，最后涂层内部的Al浓度不足以选择 性氧化生成单一Al₂O₃膜而不再具有保护性能。为了提高涂层高温下服役寿命， 可以通过设计MCrAlY加NiAl双层复合涂层的方法来提高外表面Al元素的储量， 但这种方法增加了涂层体系中的多层界面，会导致涂层体系中薄弱环节的增加。 因此，如何在不改变或保证涂层力学性能的前提下提高涂层内Al元素的含量成为 延长高温防护涂层服役时间的关键问题。

发明内容

为了延缓高温防护涂层的退化，延长涂层的服役时间，本发明的目的在于提 供一种Al元素呈梯度分布的MCrAlY加复合梯度涂层及制备方法。由于梯度效 应，使得涂层在保证力学性能的前提下最大限度的提高了β-NiAl存储相含量，因 而可以延缓涂层退化过程，提高涂层的防护效果和服役周期。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种MCrAlY加复合梯度涂层，在MCrAlY涂层上复合Al元素梯度涂层， Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布，表层Al元素浓度为20-30wt％，里层Al元 素浓度为5-10wt％。

本发明在以电弧离子镀(AIP)方法沉积的常规MCrAlY涂层上采用固态包 埋或低压气相扩散渗铝的方法制备Al浓度梯度分布的MCrAlY加复合涂层。

所述常规MCrAlY涂层合金体系成分，按质量百分比为，Co：0～40，Cr：15～40， Al：6～16，Y：0.1～1，Si：0～2，B：0.01～0.03，Hf：0～1.5，Ni：余量。

所述梯度MCrAlY涂层的具体制备方法为：1)电弧离子镀(AIP，即Arc Ion Plating)制备常规MCrAlY涂层；2)在常规MCrAlY涂层基础上，采用：a.)粉 末包埋+真空扩散退火法，b.)低压化学气相沉积(CVD)法，制备Al浓度呈梯度 分布的MCrAlY加复合梯度涂层。