[发明专利]一种兼具抗氧化与抗热腐蚀的Hf和Cr共改性铂铝涂层及制备方法和应用

说明书

本发明属于铂铝涂层系列扩散涂层领域，具体涉及一种兼具抗氧化与抗热腐蚀的Hf和Cr共改性铂铝涂层及制备方法和应用。所述兼具抗氧化与抗热腐蚀的Hf和Cr共改性铂铝涂层，其制备方法为通过复合电镀引入Ni‑Cr层和Pt‑Hf层，随后进行真空扩散退火和气相渗铝后得到所述涂层；涂层经改性后，抗氧化与抗热腐蚀性能显著提高，在1100℃下抗氧化速率降低，氧化膜粘附性能提高，表面起伏小。在900℃下热腐蚀400h后表面氧化膜基本完整，Cl元素侵入较少。

技术领域

本发明属于铂铝涂层系列扩散涂层领域，具体涉及一种兼具抗氧化与抗热腐蚀的Hf和Cr共改性铂铝及制备方法和应用。

背景技术

铂铝涂层具有优良的抗高温氧化性能，因此广泛应用于航空航天领域。但随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮叶片等热端部件的服役温度也不断提高，在服役环境日趋复杂和恶劣的情况下，涂层的抗高温氧化及抗热腐蚀性能必须要进一步得到提高。

在高温下，铂铝涂层表面可以形成一层连续致密、生长缓慢的氧化膜，从而保护基体免受氧化和腐蚀性气氛的侵害。并且由于Pt元素的加入，β-NiAl相抗高温氧化性能得到进一步提高。在NiAl涂层中添加Pt可以促进氧化膜的生成，降低氧化早期的TGO应力，但是，由于涂层元素成分和含量与基体合金相差较大，在长时间高温服役过程中，涂层和基体之间容易发生元素互扩散。其中，基体中固溶元素向外扩散会降低合金的力学性能，而涂层中Al元素向内扩散以及Al元素的消耗则会使涂层发生退化相变，即β-NiAl相转变为γ＇-Ni₃Al相。β→γ＇的相变过程使涂层体积发生变化，从而使涂层表面发生起伏。当表面起伏严重时，氧化膜便会出现裂纹和剥落。

针对铂铝涂层存在的问题，目前常用的解决方法是在涂层和基体之间引入一层扩散障或通过活性元素对涂层进行改性，常用的扩散障有陶瓷基扩散障(CrN、Al₂O₃等和金属基扩散障(Re基、Ru基等。陶瓷基扩散障热膨胀系数与基体和涂层相差较大，扩散障的施加会降低涂层和基体的结合力。金属基扩散障虽然与涂层和基体热膨胀系数相差不大，但是在长时间高温下易与基体和涂层发生元素互扩散，并且有可能会影响涂层的抗氧化性能。另一种改善铂铝涂层表面起伏和互扩散的解决方法是对涂层进行改性。常用的活性元素有Hf、Y、Ru等。其中，Hf元素的添加可以有效提高涂层的抗高温氧化性能，并且减少涂层和基体之间元素的互扩散。这是因为Hf改性的(Ni,Pt)Al涂层在高温下可以形成连续的HfO₂，阻止涂层中的Al元素向基体扩散，同时阻碍基体中的固溶强化元素向涂层中扩散，因此Al元素消耗减少。虽然Hf改性铂铝涂层具有优良的抗高温氧化性能和阻扩散性能，但是，Hf的添加并没有改善涂层的抗热腐蚀性能。在实际的服役环境中，合金除了受到氧化性气氛的侵蚀外，还会受到金属或合金表面形成的沉积盐的侵蚀，而这种侵蚀可能是灾难性的。添加Hf元素后，涂层在相同时间下形成的氧化膜较薄，因此较多的S、Cl元素更容易进入涂层，从而对涂层造成破坏。此外，Hf的添加虽然在一定程度上能降低涂层在服役过程中的表面起伏，但效果不明显，而涂层表面起伏是造成氧化膜开裂或剥落的主要原因。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种兼具抗氧化与抗热腐蚀的Hf和Cr改性铂铝涂层及制备方法和应用。本发明通过复合电镀的方法在基体上引入Ni-Cr复合镀层及Pt-Hf复合镀层，并通过真空退火对镀层内的Pt、Hf、Cr及Ni的浓度进行调节，随后通过气相渗铝制备出Hf-Cr共改性铂铝涂层。该涂层具有以下结构特点：