[发明专利]高温合金表面致密型富Re阻扩散涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种高温合金表面致密型富Re阻扩散涂层的制备方法，包括以下步骤：试样表面处理：依次对试样表面进行打磨及喷砂处理，清洗试样表面；电镀高Re含量NiRe层：将表面处理后的试样置于NiRe溶液中电镀Ni‑Re层；高温预扩散处理：将电镀NiRe层后的试样在真空炉中进行高温预扩散处理；化学气相沉积法(CVD)渗铝：对高温预扩散处理后的试样进行CVD渗铝；电镀Pt层：对渗铝后的试样进行表面处理，将表面处理后的试样放入碱性镀铂溶液中电镀Pt层；电镀后扩散处理：使用真空炉对镀铂后的试样进行高温扩散处理。该制备方法能够保证NiRe镀层中Re含量≥40at.％，镀层与基体之间的结合力较强，高温扩散处理后富Re阻扩散层的组织结构为单相富Re相。

技术领域

本发明涉及高温合金表面防护涂层技术领域，具体涉及一种高温合金表面致密型富Re阻扩散涂层的制备方法。

背景技术

随着现代航空工业对燃气涡轮发动机推重比要求的不断提高，发动机涡轮前进口温度达到1600℃，对于叶片材料的承温能力提出了新的挑战。单晶高温合金因其服役温度接近熔点，且在高温下具有抵御部分机械变形的能力，成为目前航空涡轮发动机叶片的首选材料之一。

Ni₃Al金属间化合物的使用温度(1100-1200℃)满足新一代高性能航空发动机的开发要求，同时其优异的机械性能保证了叶片在高温服役条件下长期稳定的服役寿命。我国自行研制的第一代Ni₃Al基定向凝固合金IC6的初熔温度相比于传统镍基高温合金得到了显著的提高(50-70℃)，新一代IC21合金添加了12.5wt.％的Mo和1.5wt.％的Re，进一步提高了合金的初熔温度和力学性能。

然而，该单晶高温合金在服役过程中容易发生难熔元素烧损，高温下基体中Mo元素向涂层表面扩散，与氧气接触生成挥发态MoO₃，降低合金的抗高温氧化性能及热机械性能。同时，高温合金中的固溶强化元素在高温服役过程中会发生与涂层元素的互扩散，涂层中Al元素扩散进基体内部，促使合金γ’+γ相转变为β相，导致合金析出拓扑密堆(TCP)相。TCP相是由难熔元素组成的，晶体结构区别于传统面心立方、体心立方及六方的一种复杂结构相，在合金中常以针状及片状形状出现，力学性能较脆，常常作为疲劳过程中应力集中的裂纹发源地。

因此，需要在合金与粘结层界面处添加阻扩散层以缓解Mo及其他难熔元素向外扩散，提高基体组织结构稳定性。目前，北航宫声凯教授及其团队通过Al-Si共渗工艺制备出的Si改性NiAl涂层能够利用Si与Mo之间形成MoSi₂的倾向抑制Mo元素的外向扩散。然而，该涂层中的MoSi₂析出相在1150℃保温20h后逐渐消失，说明涂层中Si元素对Mo元素的阻扩散作用在高温下存在一定局限性。

Re元素作为新一代高温合金强化元素被认为具有提高合金高温蠕变性能、自身扩散速率低以及高温热稳定性好等特点。研究表明，电镀纯Re的电流效率很低，而NiRe共镀时，Ni的沉积对Re有催化作用，因此一般采用Ni-Re共镀的方法在合金表面制备NiRe镀层。高温下，Re原子与合金元素发生反应形成一层稳定的析出相，Al元素在该相中溶解度极低，因此能够阻碍基体与涂层之间的元素互扩散。中科院金属所鲍泽斌等人通过依次电镀NiRe和Pt结合气相渗铝工艺在单晶高温合金表面制备了低扩散速率的NiPtAl涂层，但是，渗铝后该涂层中的富Re阻扩散层由富Re相与γ’相两相组成，其中γ’相为Al元素的扩散通道，因此无法对氧化前期发生的元素互扩散起到阻挡作用。

此外，增加Re原子在NiRe层中的百分含量能够显著提高阻扩散层的致密性，但高Re含量的镀层由于脆性过大常常在制备阶段就发生开裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种在单晶高温合金表面通过电镀以及高温扩散处理工艺制备致密单相富Re阻扩散涂层的方法，能够保证NiRe镀层中Re含量≥40at.％，镀层与基体之间的结合力较强，高温扩散处理后富Re阻扩散层的组织结构为单相富Re相。