[发明专利]Pt改性的热障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

     本发明涉及一种在镍基高温合金表面制备Pt改性的Ni₃Al+NiAl新型热障涂层及其制备方法，属于新材料制备及表面改性技术领域。

技术背景

    现代航空燃气涡轮发动机向着大推力、高效率、低油耗以及长寿命的趋势发展，使得涡轮发动机叶片的进气温度不断提高。目前，推重比达到15以上的发动机的涡轮进口温度高达2000℃以上，这就要求涡轮叶片和导向叶片能够在1400                                               以上长期稳定工作。为了满足这一要求，目前已经开发出了五代高温合金，但是由于受到高温合金自身熔点的限制，进一步提高高温合金工作温度的空间已经十分有限。因此，寻求新的冷却技术和在高温合金表面制备一种既耐高温又抗氧化的热障涂层，来降低高温合金表面的温度以及防止高温合金氧化，成为一种行之有效的新技术。目前，采用隔热层厚度为150300 的热障涂层并采用冷却技术，可以使涡轮叶片表面的温度降低150℃左右。研究表明，涡轮叶片表面的温度每降低15，叶片的蠕变寿命就可以延长一倍。

   热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）一般采用双层结构，即表层的陶瓷层和中间的粘结层。其中陶瓷层一般为78wt% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ），一般通过大气等离子喷涂（Air plasma spraying，APS）或者电子束物理气相沉积（Electron beam-physical vapor deposition，EB-PVD）的方法附着在粘结层表面。陶瓷层具有较低的热导率，主要起隔热作用，并且在高温环境中稳定性好，同时陶瓷层内部存在大量的空隙，因此具有较大的氧扩散系数，特别是通过电子束物理气相沉积制备的陶瓷层，其结构为柱状晶组织，各个柱状晶之间存在大量的空隙，氧的扩散能力更强。因此，这就要求粘结层一方面要改善高温合金基体与陶瓷层的热膨胀系数的不相匹配，另一方面还必须具有非常好的抗氧化性能，才能保证高温合金基体不被氧化，从而提高高温合金的稳定性，增加其使用寿命。

    粘结层的抗氧化机理是通过在高温氧化气氛中生成一层致密、连续的热生长氧化物（Thermally grown oxide，简称TGO），以阻止环境中的氧进一步向高温合金扩散，从而保护高温合金基体不被氧化，起到保护基体的作用。

    粘结层材料一般为MCrAlY（M是过渡金属Ni、Co或者Ni+Co）、β-NiAl等。这些涂层由于铝含量高，在高温氧化环境中生成致密的、连续的α-Al₂O₃层，能够阻止氧进一步向高温合金内部扩散，因此具有很好的抗氧化性能。

    热障涂层的使用寿命与热生长氧化层的生长速度、结构形式、组成成分以及陶瓷层和粘结层界面的形态、应力分布有关系。目前热障涂层的失效主要表现为热生长氧化层附近的氧化锆陶瓷发生脱落。研究表明，热生长氧化层与陶瓷层界面存在显著的不连续性，包括成分的不连续和热膨胀系数的不连续，因此热生长氧化层与陶瓷层之间存在残余应力。随着热生长氧化层厚度不断增加，残余应力也会不断增加，同时也会导致粘结层中形成铝元素贫化区，引起该区域镍等元素的选择性氧化，进一步增加了粘结层与陶瓷层之间的应力，最终导致涂层失效。因此，对粘结层进行改性，控制热生长氧化层的生成速度，以及保证热生长氧化层成分的连续性、完整性，对提高高温合金的使用寿命具有重要意义。

    传统的粘结层材料为MCrAlY和铂改性的β-NiAl涂层，这两种涂层由于铝含量高，在高温氧化环境中能够生成致密的α-Al₂O₃层，不过由于与高温合金基体的铝含量相差大，高温条件下会引起粘结层中的铝向基体扩散，发生β-NiAl →γ′-Ni₃Al的相变，这降低了粘结层与高温合金基体的粘结性。因此，在单一粘结层涂层的基础上研究出多层结构涂层，以解决粘结层与高温合金基体之间由于铝含量相差大而引起的粘结层不稳定等问题。

    在高温条件下，粘结层中的铂能够阻碍铝原子向基体扩散，抑制粘结层中可能发生的β-NiAl →γ′-Ni₃Al相变，并且使涂层与基体之间出现“钉扎效应”，提高涂层与基体的结合强度，极大地提高了高温合金的抗高温氧化性能。

发明内容