[发明专利]一种双层结构MCrAlY粘结层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热障涂层技术领域，涉及一种具有双层结构的MCrAlY防护涂层，更具体的 说，是采用等离子体辅助电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备一种具有双层结构的 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，或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.

当MCrAlY涂层体系服役在超过1273K的高温环境下时，合金与涂层之间会发生严重 的元素互扩散：涂层中的Al元素向高温合金基体扩散会引起涂层中的Al含量的降低，从而 使涂层不能持续的提供生成保护性氧化膜(TGO)所需要的Al，造成涂层的过早失效；另一 方面，高温合金中的强化元素如W，Mo，Ta，Ti及Hf等外扩散到涂层表面会破坏氧化膜 的完整性，降低涂层的保护性能；更为严峻的问题是，在定向高温合金以及单晶高温合金上 制备MCrAlY涂层后，涂层与基体之间元素的互扩散，尤其是Al元素的内扩散会造成合金 基体的再结晶产生以及TCP相析出及二次反应区(SRZ)产生，极大地降低了高温合金的力 学性能。

在基体和涂层之间制备一层扩散阻挡层是阻止涂层与合金相互扩散的一种有效方法，也 是目前国际上研究的热点。如，TiN等氮化物层、Al-O-N等氮氧化物层、Ru等贵金属层、 α-Al₂O₃陶瓷层以及一些相关的复合阻扩散层等。但这些扩散阻挡层体系往往会由于降低了 涂层与基体之间的互扩散或热膨胀系数不匹配等问题，造成涂层与基体之间结合力下降，易 于剥落；另一方面，部分阻扩散材料体系在高温时发生失稳分解，引起阻扩散能力的降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层结构的MCrAlY涂层及其采用等离子体辅助电子束物理气 相沉积技术制备的方法。涂层结构为：底层是5～20μm厚，晶粒度为20～50μm择优生长的 等轴晶结构的低铝(3～5wt.％)MCrAlY层；上层为20～100μm厚，晶粒度小于1μm的 柱状晶结构高铝(8～12wt.％)MCrAlY层，所述的底层与基体接触，上层与陶瓷层接触。 这种双层结构可以降低MCrAlY涂层与高温合金基体之间的元素互扩散，因而涂层抗高温氧 化性能更佳，并可以抑制定向凝固高温合金及单晶高温合金等的因沉积抗氧化涂层引起的再 结晶及TCP相析出和二次反应区(SRZ)的形成。

本发明公开了一种采用等离子体辅助电子束物理气相沉积制备的双层结构MCrAlY涂 层，包含下列步骤：

(1)准备蒸发料棒，备用；

MCrAlY料棒的成份为M、铬、铝和钇，其中M为镍或钴或(镍+钴)，其重量百分比 为19～35％的铬、8～12％的铝、0.07～1.5％的钇，其余为M，上述各成分总量为100％；

(2)准备基体材料，并将其安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上；

(3)将MCrAlY料棒放置在水冷铜坩埚中；

(4)将真空室抽至所需的低于5×10^-3Pa真空度；