[发明专利]一种涡轮叶片组件热障涂层及其制备方法

说明书

本发明提出一种涡轮叶片组件热障涂层，是从涡轮叶片组件基材向上，顺次布置的粘结层、铝化物层、氧化铝层和陶瓷层，或为顺次布置的铝化物层、粘结层、氧化铝层和陶瓷层；所述粘结层为MCrAlY层，M表示镍、钴、铁中的一种、两种或三种。本发明提出的热障涂层体系，在保证热障涂层的隔热效果的前提下，提高了热障涂层的抗高温氧化、抗热腐蚀性能以及持久性能，进而提高了涡轮叶片组件的服役寿命。用本发明方法制备的热障涂层体系，会显著降低叶片组件的增重，进而降低了涡轮叶片组件在高速旋转时的拉力对组件本身造成的蠕变程度，提高了涡轮叶片组件的服役寿命。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理领域，具体涉及一种含陶瓷层的表面涂层及其制备方法。

背景技术

燃气轮机是发展成熟、广泛使用的一种机械装置，该机械装置通过将燃料的化学能转化为热能及机械能来驱动喷气式飞机、大型舰船、发电机组及流体泵等设备或设施。为了提高能源利用效率，用于燃气轮机的涡轮热端部件的金属材料在设备工作时往往接近或达到其热稳定性的临界状态，即为了提高燃气轮机使用效率，涡轮进气口温度被大幅度提高，实际上目前先进燃气轮机的涡轮一级动、导向叶片工作时往往处于高于其熔点的混合燃气气氛中。只是由于该金属材料表面被在其上涂敷一层隔热涂层或高温防护涂层以及一层空气膜隔离、冷却，才使其在长时间服役的情况下不被熔化。但是，冷却空气的使用降低了燃气轮机的效率，这与通过提高涡轮进气口温度来提高燃气轮机的效率的初衷相矛盾。因此，为了降低冷却空气的使用量，提高热障涂层的隔热能力尤为重要。

热障涂层体系多以陶瓷材料为基础，例如多铝红柱石、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钇等。目前普遍使用的是7-8％氧化钇稳定的氧化锆。由于氧化锆陶瓷层是优良的氧透过体，因此在热障涂层体系中除起到隔热作用的陶瓷涂层以外，在陶瓷层和金属材料基体之间，还需要制备一层粘结层。该粘结层在高温环境下其表面会生成一层致密、连续、附着的氧化铝层，阻止了氧化或热腐蚀的进一步进行，从而起到高温防护的作用。

热障涂层体系的制备方法包括热喷涂和电子束物理气相沉积(EBPVD)等工艺。与热喷涂工艺制备的陶瓷层相比，EBPVD镀覆的陶瓷层具有柱状晶粒结构，此种结构在提高了应变容限的同时降低了涂层的隔热性能。同时，EBPVD制备的叶片或其他零件的往往较小，对尺寸的敏感性较高。根据美国专利US5073433和US5705231，针对大型部件，可以通过热喷涂获得相似的涂层。而且，在目前较大的涡轮热端部件，例如发电机组或大型舰船推进系统所用的燃气轮机的涡轮一级静、动叶片，国内外往往采用热喷涂工艺来制备其热障涂层体系。

然而，粘结层和陶瓷面层的添加在提供高温防护及隔热降温作用的同时，也显著加大了零部件的重量，这对诸如叶片等高速旋转件极为不利。在以每分钟几千转的转速转动的零部件方面，粘结层及陶瓷层的重量显著的加大了叶片的拉力，其所造成的离心力随转速的平方而增大。同时，在高温下，该拉力容易造成叶片身根或榫槽区域的蠕变及热疲劳性能，严重时会促使叶片尖端与其相对应零件(例如护环)相接触，或会诱发、加快微裂纹的生长，从而降低燃气轮机的效率与寿命。因此，不涂敷热障涂层或高温防护合金涂层，而是采用能够直接在表面生成具有保护性的氧化铝层的金属材料的思想曾经一度受到一定程度的欢迎。但是此种高温合金往往由于含有过高的铝、铬及某些贵金属含量，导致其本身的力学性能较差(例如高温、持久强度)，并且原料成本较高，目前的应用效果并不好。