[发明专利]一种抗1200℃高温氧化耐燃气热腐蚀的复合粘结层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型热障涂层粘结层材料及其制备方法，更具体的是指一种应用电镀和电子束物理气相沉积制备双层结构抗1200℃高温氧化耐燃气热腐蚀的热障涂层粘结层材料。

背景技术

为了满足航空发动机的发展需求，用于涡轮叶片的材料已从高温合金、定向凝固结晶合金发展到单晶高温合金，材料的使用温度提高近300℃，已接近金属的使用极限温度。而新一代燃气涡轮发动机要求涡轮叶片和导向叶片在1500℃～1600℃下长期工作，服役环境极其恶劣，现有合金无法满足要求。热障涂层（Thermal Barrier Coatings）作为一种表面热防护技术，对进一步提高合金材料的使用温度发挥着重要作用。

热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）通常有起隔热作用的陶瓷层和缓解陶瓷层与基体合金热膨胀不匹配应力、提高基体抗氧化腐蚀性能的粘结层组成，用于降低航空发动机热端部件表面温度，提高热端部件的抗氧化腐蚀能力，并有效地延长热端部件使用寿命的表面热防护技术，目前，成熟的粘结层材料MCrAlY使用温度一般不超过1150℃。随着航空发动机向更高推重比发展，要求热障涂层粘结层材料的长期使用温度必须达到1150℃以上。

B2结构的NiAl具有熔点高、抗高温氧化性能优异、热膨胀系数较低等优点，满足制备高温涂层的先决条件。但其同时存在很大缺点：一是高温氧化时在金属/氧化膜界面形成大量空洞，影响氧化膜的粘附性，造成氧化膜脱（参考文献1：J.A.Haynes,B.A.Pint,K.L.More,Y.Zhang,I.G.Wright.Influence of sulfur,platinum,and hafnium on the oxidation behavior of CVD NiAl bond coatings.Oxidation of Metals,58(2002):513-544.）。二是NiAl粘结层和基体之间会发生互扩散。基体中难熔元素（如W，Mo，Ta，Re等）向涂层扩散，涂层中Al元素向基体扩散，导致第二次反应区（Secondary Reaction Zone，SRZ）的形成（参考文献2：Walston W.S.,Schaeffer J.C.,Murphy W.H..A New Type of Microstructural Instability in Superalloys-SRZ[J].Superalloys1996,ed.Kissinger R.D.,et al.:9-18），严重降低了高温合金基体的力学性能以及涂层的抗高温氧化性能。现有NiAl涂层的改性方法通常只注重于其抗氧化性能的提高，忽略了提高其耐热腐蚀性能的重要性，无法应对涡轮发动机实际工作环境尤其是海洋性腐蚀环境，使NiAl体系金属粘结层实际应用中的表现大打折扣。而传统的渗Cr/Si方法制备涂层，其涂层厚度、组织结构和化学成分均无法精确控制，这一技术难题一直阻碍着该类涂层的发展。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型热障涂层粘结层材料，更具体的是指一种应用电镀和电子束物理气相沉积制备Ni(Ru)Al/NiAlHfCrSi抗1200℃高温氧化、耐燃气热腐蚀及抑制互扩散区生成三重功能耦合的热障涂层粘结层材料。该粘结层材料可以在1200℃达到抗氧化级，1100℃真空扩散100h不出现二次反应区，同时耐燃气热腐蚀能力也远高于普通NiAl系金属粘结层。

本发明的另一目的是提出一种采用电镀和电子束物理气相沉积技术制备复合热障涂层粘结层的方法。这种制备方法首先采用电镀或电子束物理气相沉积方法在基体上沉积一层Ru，然后采用电子束物理气相沉积方法在Ru层上沉积一层NiAlHfCrSi层，经过简单的后续处理制得Ni(Ru)Al/NiAlHfCrSi双层结构粘结层，其中Ni(Ru)Al层中Ru含量从基体表层向外层方向呈梯度递减。这种双层结构粘结层能有效地阻挡基体与涂层间元素的互扩散，抑制第二次反应区（SRZ）的形成，抑制热腐蚀过程中类尖晶石的形成，提高高温合金的抗高温氧化和耐热腐蚀的性能，是一种新型的热障涂层粘结层材料。

本发明提供一种适于作为热障涂层粘结层的材料，该粘结层为Ni(Ru)Al/NiAlHfCrSi双层结构，热处理前Ru的厚度为5～10μm，NiAlHfCrSi层的厚度为40～60μm。热处理后Ni(Ru)Al层中Ru含量呈梯度递减。