[发明专利]等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热障涂层领域，尤其是涉及等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层 粘结层的方法。

背景技术

燃气涡轮机叶片面临着苛刻的服役环境。当时主要的燃气涡轮机生产商提供的数 据显示：作为普通地面用途的燃气涡轮机叶片的使用温度范围在960～1100℃；军用飞机中 的燃气轮机的燃气温度高达1600℃；至于商用飞机的燃气轮机燃气温度也高达1500℃，然 而用于生产涡轮叶片的镍基超强耐热合金的最高工作温度只有1100℃。随着燃气轮机燃气 温度的提高，相对于开发新型高温耐热合金材料基体来讲，致力于燃气轮机涡轮叶片表面 的保护其成本要低的多。热障涂层（TBCs）是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系 统。陶瓷层起到隔热作用，金属粘结层连接陶瓷层和基体，减少了界面应力并提高抗氧化能 力，避免了陶瓷层的过早剥落。

粘结层材料的性能对热障涂层性能有明显影响，特别是粘结层上热生长氧化层的 生长行为及热生长氧化层成分等对热障涂层失效有直接影响。热障涂层的失效主要表现为 陶瓷层从氧化层附近界面剥落。粘结层表面氧化层的生长特性，即粘结层的氧化行为，将直 接影响热障涂层的寿命。粘结层的成分与氧化层的生长以及氧化层与陶瓷及粘结层的结合 状态密切相关。因此，开发新型高性能的粘结层材料十分重要。

通常工业已应用的TBC由两类方法制备；其中Pt改性β-NiAl粘结层与EB-PVD制备 的YSZ层相匹配，而热喷涂MCrAlY（M=Ni，Co或Ni+Co）与等离子喷涂YSZ进行配合。MCrAlY是 传统的工业上应用成熟的粘结层材料，在低于1150℃时，其服役性能良好。但在更高使用温 度时，氧化层会加速增厚。当氧化层厚度达到5um以上时，结合力明显下降，容易引起涂层的 剥落。

Pt改性β-NiAl粘结层制备步骤为：首先在高温合金上电沉积数微米的Pt，之后真 空物理蒸镀一层束十微米的Al，随后进行热扩散处理而得到（Ni，Pt）Al。这类粘结层比热喷 涂的NiCoCrAlY平滑，适合与EB-PVD制备的陶瓷层相配合，其服役寿命也更长。因而（Ni，Pt） Al是一种较好的粘结层材料。但是，其中Pt含量较高，造成涂层材料成本昂贵。如果Pt元素 能够被其他廉价金属替代，则可以明显降低热障涂层的生产成本。

NiAl是一种β相电子化合物，价电子与原子数之比为3：2，它的晶体结构是简单的 CsCl结构，有序立方B2结构。在一个较宽的成分范围（45～60at%Ni）内均可保持这种单相 结构。化学计量比的NiAl熔点为1638℃，明显高于镍基高温合金。其密度为5.68g/cm³，大约 是一般高温合金温度的2/3。化学计量比NiAl的晶格常数最大，为0.289nm。化学计量比的 NiAl从277～1017℃的热膨胀系数为15.1×10^-6K^-1，与镍基高温合金相近。在20～1100℃ 时其热导率为70～80W?m^-1?K^-1，大约是高温合金的4～8倍。NiAl由于有较高的Al含量，在 高温条件下可以形成具有阻氧能力的氧化膜而具有较好的抗高温氧化性能。

纯β-NiAl合金在高温氧化时生成的α-Al₂O₃膜在多数情况下粘附性不太好，在循环 氧化时氧化膜的剥落将造成一定程度的损失。研究表明，添加微量的稀土元素，如Y等能显 著提高氧化层的抗剥落性能。与传统的Pt改性β-NiAl粘结层相比，NiAl-RE中添加的稀土元 素很微量（0.05～1at.%），用NiAl-RE取代（Ni，Pt）Al，能节约大量的成本。

使用稀土元素对β-NiAl合金化已经有了相关研究，但是研究者主要针对块体材料 或使用气相沉淀制备的单层涂层的抗氧化性开展工作，而采用等离子喷涂制备稀土改性的 β-NiAl粘结层的研究还未见报道。

中国专利CN102181860A公开了一种镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni₃Al 热障粘结层的方法，该专利是在镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni₃Al热障粘结层 的制备，使用该方法制备粘结层时，需要在高温合金表面电镀一层5～12um的Pt，成本较高。 这种方法制备的粘结层主要用在航空发动机上，表面粗糙度不高，厚度只有50～80um，因而 不能更好地用在地面燃气轮机上面。