[发明专利]一种共沉积梯度MCrAlY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，具体地说是一种共沉积梯度MCrAlY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设计时，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涂层体系中，常见的Al元素金属间化合物有Ni₂Al₃，β-NiAl和γ′-Ni₃Al等，其中Ni₂Al₃因较脆而力学性能差，γ′-Ni₃Al中Al含量太低而不能长时间生成单一的Al₂O₃膜，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膜而不再具有保护生能。因此，通过提高高温防护MCrAlY涂层内Al源的含量可以有效地延长涂层使用寿命，但过高Al含量会导致涂层脆性增加，不利于涂层部件冷热交替循环工作。

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元素呈梯度分布的共沉积MCrAlY涂层及其制备方法。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：

一种共沉积梯度MCrAlY涂层的制备工艺，在MCrAlY涂层上沉积Al(SiY)涂层，形成Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布的复合MCrAlY涂层，该梯度涂层表层Al元素浓度为20～35wt％，里层Al元素浓度为5～10wt％；共沉积涂层表面为富Al的β-NiAl层，Al主要分布在β-NiAl相中；内层为MCrAlY加弥散分布的β-NiAl相，Al元素分布在β-NiAl相和γ′-Ni₃Al相中；

通过电弧离子镀共沉积加真空扩散退火的方法制备梯度MCrAlY涂层：

首先采用电弧离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层，沉积参数为：真空室的本底真空2×10^-3～1×10^-2Pa；通入Ar气，使真空室压强升至5×10^-23×10^-1Pa；靶基距为230～250mm；轰击偏压-800～-1000V，占空比20～40％，溅射清洗时间2～5分钟；沉积MCrAlY涂层时，弧电流50～70A，弧电压20～25V，脉冲偏压-150～-300V，占空比20～40％，沉积温度300～400℃，制备的常规MCrAlY涂层厚度为40～60μm；