[发明专利]一种Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层及其制备方法

说明书

本发明公开一种Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层及其制备方法，制备方法包括依次采用蒸发初期电流和蒸发初期真空值、蒸发中期电流和蒸发中期真空值、蒸发后期电流和蒸发后期真空值在合金基体上沉积MCrAlX，得到沉积态MCrAlX层；蒸发初期电流、蒸发中期电流以及蒸发后期电流依次降低；蒸发初期真空值、蒸发中期真空值以及蒸发后期真空值依次减小；对沉积态MCrAlX层进行真空扩散处理，得到Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层。该制备方法得到的MCrAlX靠近基体侧Al含量低，向粘结层表面方向Al含量逐渐升高，避免了粘结层中Al向合金基体中扩散产生TCP相，同时也阻止了合金基体中的强化相元素向粘结层中扩散，表层Al含量较高有效提升了MCrAlX粘结层的抗氧化以及抗腐蚀能力。

技术领域

本发明属于航空发动机及燃气轮机用涡轮叶片高温抗氧化涂层技术领域，涉及一种Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层及其制备方法。

背景技术

电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapour Deposition，简称EB-PVD)技术具有涂层化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、涂层与高温合金基体结合强度高等优点，已经广泛应用于多种涡轮叶片高温防护涂层的制备加工，显著提高了涡轮叶片的抗高温氧化和抗腐蚀性能、隔热性能，延长了发动机工作寿命。当MCrAlX粘结层涂层在高温条件下使用时，由于粘结层与金属基体间元素含量的差异，造成金属基体与粘结层之间会发生严重的元素互扩散行为，导致涂层中的Al元素向金属基体产生明显的扩散现象，从而引起涂层中形成保护性Al₂O₃膜的Al元素产生显著的降低，造成涂层使用寿命缩短；金属基体中的强化相元素也会向涂层内产生扩散，从而破坏金属粘结层的相稳定性，也将影响金属粘结层的使用寿命。另外，金属粘结层与高温合金基体的互扩散行为，还会在高温合金基体近表面产生针状拓扑密排相(Topologically Close-PackedPhases，简称TCP相)、再结晶、二次反应区等，对高温合金基体的使用寿命造成极大地影响。对于铝含量均匀分布的金属粘结层，在使用过程中，极易出现表面Al浓度降低造成粘结层贫Al区的存在，进而导致粘结层的抗氧化、抗腐蚀性能骤减。

在基体和粘结层之间制备一层阻扩散层是阻止涂层与合金相互扩散的一种有效方法，也是目前国内外涂层领域的研究热点，阻扩散层有：氮化物层、氮氧化物层、贵金属层等。这些阻扩散层的存在有效地降低了金属粘结层与高温合金基体之间的互扩散行为，但是阻扩散层的存在又会引起涂层与基体之间的冶金结合差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，引起涂层剥落；另外，部分阻扩散层材料在高温时易发生化学失稳，引起阻扩散能力降低。因此，为了有效控制金属粘结层与高温合金基体之间的互扩散行为，保证金属粘结层与高温合金基体间良好的匹配，同时保留金属粘结层的抗氧化、抗腐蚀性能，极有必要对金属粘结层内部组织成分进行微观调控，从而有效解决互扩散问题、金属粘结层抗氧化不佳问题及阻扩散层造成的粘结层结合力不足问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层及其制备方法，采用电子束物理气相沉积设备进行MCrAlX粘结层的沉积，沉积过程中，由于MCrAlX靶材中各元素的饱和蒸气压和熔点存在差异，因此，通过控制蒸发枪束流的大小，实现MCrAlX靶材中各元素的蒸发过程实现动态控制，得到一种Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层，从而解决了金属粘结层与高温基体合金互扩散问题、金属粘结层抗氧化不佳问题、阻扩散层存在造成的涂层结合力不足问题，表面Al含量较高可显著提升粘结层的抗氧化、抗腐蚀能力，延长金属粘结层和高温合金基体的使用寿命和可靠性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种Al含量梯度变化的MCrAlX粘结层的制备方法，包括以下步骤：

S1：依次采用蒸发初期电流和蒸发初期真空值、蒸发中期电流和蒸发中期真空值以及蒸发后期电流和蒸发后期真空值在合金基体上沉积MCrAlX，得到沉积态MCrAlX粘结层；