[发明专利]一种抗氧化性能优异的MCrAlY涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金涂层制备技术领域，涉及一种具有新型结构的MCrAlY涂层及其制 备方法，更特别地说，是采用等离子体辅助电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备MCrAlY 涂层的方法。

背景技术

对于现代燃气涡轮发动机而言，提高其工作效率的一个主要手段就是提升发动机整体的 燃烧工作温度。因而需要在高温工作部件的表面涂覆高温防护涂层，以提高高温工作部件的 抗氧化和抗腐蚀性能。MCrAlY(M＝Co，Ni或Co+Ni)涂层是90年代以来开始广泛使用的包 覆涂层。MCrAlY涂层具有良好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，而且具有良好的塑性，且成 份选择具有多样性，如参考文献[1]：Bezencon，C.，A.Schnell，et al.(2003).″Epitaxial deposition of MCrAlY coatings on a Ni-base superalloy by laser cladding.″Scripta Materialia 49(7)：705-709。参考文献[2]：Knotek，O.，E.Lugscheider，et al.(1995). ″Arc evaporation of multicomponent MCrAlY cathodes.″Surface and Coatings Technology 74-75(Part 1)：118-122。参考文献[3]Schmitt-Thomas，K.G.and M. Hertter(1999).″Improved oxidation resistance of thermal barrier coatings.″Surface & Coatings Technology 121：84-88。

目前MCrAlY涂层的制备方法主要有低压等离子喷涂(LPPS)，电子束物理气相沉积以 及多弧离子镀(AIP)。低压等离子喷涂制备MCrAlY涂层沉积效率高，成本低，但涂层结合 力差，孔隙率大，表面光洁度差；多弧离子镀制备的涂层主要由液滴堆积而成，存在孔隙， 且表面光洁度不高；电子束物理气相沉积方法沉积速度快，光洁度高，但沉积态涂层为柱状 晶，氧气及其它腐蚀性气氛易沿柱状晶晶界进入涂层内部，降低抗氧化和抗腐蚀性能，因而 需要后续的喷丸及真空热处理等工序，工序复杂，成本高。

当前国际上公认的提高MCrAlY涂层抗氧化性能的方法是进行表面晶粒细化，获得纳米 级晶粒尺寸的表面，如在文献[4]Liu，Z.，W.Gao，et al.(1997).″The effect of coating grain size on the selective oxidation behaviour of Ni-Cr-Al alloy″Scripta Materialia 37(10)：1551-1558.中采用磁控溅射沉积(MSD)或文献[5]Dragos，U.，M.Gabriela，et al. (2005).″Improvement of the oxidation behaviour of electron beam remelted MCrAlY coatings.″Solid State Sciences 7(4)：459-464.中采用脉冲电子束重熔(PEB)进行后处 理等方法。

发明内容

本发明的目的是公开一种抗氧化性能优异的MCrAlY涂层及其制备方法。采用等离子体 辅助电子束物理气相沉积技术，通过控制基板温度、阳极放电电压、蒸发电流以及在基体上 施加的偏压，制备出一种同传统EB-PVD涂层微观结构不同的新型涂层，该涂层具有优异的 抗氧化性能。

所述的MCrAlY涂层可以沉积在包括铸造高温合金、定向铸造高温合金及单晶高温合金 等各种高温合金基体上；所述的MCrAlY涂层晶粒尺寸为10-50μm，为等轴晶结构；涂层 沿(111)密排方向取向强烈，由于基体中难融元素沿(111)面扩散速度较慢，因而可以 减缓基体元素外扩散的发生；涂层中具有高密度的孪晶结构，孪晶尺寸为200～500nm；涂 层中相沿生长方向成条状均匀分布，且β相尺寸细小，小于1μm，形成了大量的相界面。该 涂层在1150℃下使用时，高密度的孪晶和相界为Al元素向外快速扩散提供了通道，更易形 成致密的α-Al₂O₃保护膜，同时减弱了基体元素外扩散对形成氧化膜的破坏作用，涂层抗氧 化性能优异，较传统的EB-PVD涂层抗氧化性能提高一个数量级。