[发明专利]一种高温合金复合纳米晶涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温防护技术，特别提供一种可用于高温合金零部件的复合纳米晶涂层及其制备方法。

背景技术

高温防护涂层与高温结构材料、高效气冷并重为先进燃气涡轮发动机的三大关键科学技术，在航空、航天、船舶、能源、兵器等领域有着广泛的应用。高温金属防护涂层是发动机热端部件合金的“防护外衣”，起着提高热端部件抗高温氧化腐蚀性能、延长部件在恶劣环境下服役寿命的重要作用。同时，金属涂层还是热障涂层的粘结层，用于改善陶瓷隔热层和高温合金基体之间热物理性能的不匹配，并降低热应力，由此提高热障涂层的寿命。

MCrAlY涂层是较为理想的高温防护涂层，该涂层的优点在于其成分选择的多样性，即可以根据不同的工作环境和不同基体材料选择合适的涂层成分，不受基体化学成分和微观结构限制。典型的MCrAlY涂层主要由β+γ'铝化物相和γ基体组成，一般化学成分为15～28wt.％Cr，4～18wt.％Al，0.5～0.8wt.％Y，余量为Ni，Co。Ni和Co含量的选择主要取决于涂层的韧性和抗腐蚀性能要求。MCrAlY涂层良好的抗氧化和抗热腐蚀性能主要因为它可以形成保护性的氧化铝膜，另外高含量的Cr不仅可以使涂层具有很好的抗第二类热腐蚀性能，还能促进氧化铝膜的形成。这种MCrAlY包覆涂层的制备方法包括物理气相沉积和等离子喷涂。但是，MCrAlY涂层普遍存在的一个问题是由于与基体高温合金化学成分差异很大，高温服役时由于界面元素的互扩散，容易在界面下方形成元素的互扩散区以及二次反应区，降低基体合金的力学性能。A.Sato的研究结果表明由于界面元素互扩散的影响，四代单晶高温合金TMS-138的高温蠕变寿命缩短了86％。

与MCrAlY涂层相比，磁控溅射与合金基体成分一致的纳米晶涂层，由于涂层与基体合金成分一致，避免了高温服役时MCrAlY涂层经常遇到的界面互扩散问题。同时由于纳米晶涂层内部含有大量晶界，促进了Al的选择性氧化，能够比较容易在涂层表面生成致密并且粘附性良好的氧化铝膜，为基体合金提供优异的高温防护性能；通过纳米晶涂层内部柱状晶界的变形还可以比较容易地释放氧化铝膜内部的生长应力以及热应力，从而提高氧化膜的抗热循环剥落性能。然而，也因为纳米晶涂层内部存在大量晶界的缘故，涂层的抗热腐蚀性能较差，限制了磁控溅射纳米晶涂层在热腐蚀环境下的使用。S.Geng以及P.Yu分别研究了K52以及K38高温合金溅射纳米晶涂层的热腐蚀性能，发现腐蚀介质S很容易沿着纳米晶涂层的晶界扩散至涂层甚至基体内部，引发基体合金的严重腐蚀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温合金复合纳米晶涂层及其制备方法，本发明采用磁控溅射以及多弧离子镀技术制备的复合纳米晶涂层克服了现有NiCrAlY涂层高温服役时容易与高温合金基体发生界面元素互扩散、表面氧化膜抗热循环剥落性能差的缺点，并克服了现有磁控溅射纳米晶涂层抗热腐蚀性能差的缺点，具有优异的抗高温氧化、抗热腐蚀、抗热循环剥落综合性能，并且高温服役时避免与高温合金基体界面的元素互扩散，抑制了合金内部二次反应区的生成。

本发明具体提供了一种高温合金复合纳米晶涂层，其特征在于：该复合纳米晶涂层由底层与面层组成；底层为溅射纳米晶涂层，面层为NiCrAlY涂层。

本发明所述高温合金复合纳米晶涂层，其特征在于：复合纳米晶涂层的底层为柱状纳米晶涂层，柱状晶尺寸小于100nm，厚度为18～40um，其成分与高温合金基体一致。

底层结构为柱状纳米晶，该结构具有较高的韧塑性，能够通过涂层的塑性变形消耗表面氧化膜内部的生长应力以及热应力，从而提高氧化膜的抗热循环剥落性能。底层成分与基体合金一致，避免了高温下与基体合金之间的元素互扩散，该涂层1100℃下氧化100h，界面处没有出现与单晶高温合金(如N5)的明显互扩散区，而普通NiCrAlY高温合金在1100℃下100h出现了20um厚的互扩散区和二次反应区。

本发明所述高温合金复合纳米晶涂层，其特征在于：所述NiCrAlY面层成分为Cr：24～29wt％，Al：9～13wt％，Al+Cr：33～40wt％，Y：0～1wt％，余量为Ni；纳米晶底层涂层的厚度为NiCrAlY面层厚度的1.5～3倍。