專利名稱：鎳基高溫合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni₃Al熱障粘結層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鎳基高溫合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al熱障涂層粘結層的方法，屬金屬表面涂層技術領域。
背景技術：
現(xiàn)代航空燃氣渦輪發(fā)動機大推力、高效率、低油耗和長壽命的發(fā)展趨勢使渦輪發(fā)動機進口溫度不斷提高。雖然高溫合金的不斷發(fā)展使其性能有了很大的提高，但其提升幅度已遠遠不能滿足渦輪發(fā)動機使用的需要。因此，尋找新的冷卻方法以及在高溫合金表面制備耐高溫和抗氧化的熱障涂層，從而降低高溫合金基體表面的溫度和防止基體的氧化就成了一種十分必要且有效的技術。熱障涂層一般由外部陶瓷層和內部金屬基的粘結層兩層材料組成。通常情況下， 陶瓷層為AO3 (7、Wt. %)穩(wěn)定的通過大氣等離子噴涂(Air plasma spraying)或者電子束物理氣相沉積(Electron beam-physical vapor exposition)的方法制備于金屬粘結層的表面。陶瓷層材料具有較低的熱導率，同時其內部存在許多的空位和縫隙，因此具有很大的氧擴散系數(shù)。特別是通過電子束物理氣相沉積法制備的陶瓷層，其結構為柱狀晶結構，各個柱狀晶之間存在較大的空隙，氧的透過能力很強?；谝陨显?，位于陶瓷層下部的粘結層必須要具有非常好的抗高溫氧化性能，才能保證高溫合金基體不被氧化，從而增加其使用壽命。粘結層的抗氧化機理就是通過在表面生成一層致密的TGO (Thermal grown oxide)層，阻止氧進一步向基體中的擴散，從而起到保護基體的作用。同時，大部分的熱障涂層的失效都是由于陶瓷層與TGO層或者粘結層與TGO層發(fā)生脫粘而引起的，因此能否生成一層致密的氧化層，同時能否與基體保持良好的粘結性能，是衡量一種粘結層材料是否合適兩個很關鍵的因素。傳統(tǒng)的熱障涂層粘結層材料，主要是MCrAlY (M = Ni, Cr or Ni+Cr)或者是Pt改性的NiAl合金。這兩種涂層由于表面鋁含量很高，在有氧的環(huán)境下可以生成致密的Al2O3 層，阻止氧進一步向內部擴散，因此具有很好的抗氧化性能。但由于其與鎳基高溫合金中的鋁含量相差太大，因此涂層中的鋁向內部擴散速率很快，導致涂層很容易由于鋁含量的缺失而發(fā)生馬氏體轉變，并最終由于內部應力過大而導致陶瓷層的脫落，使熱障涂層失效。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在制備一種Pt含量較高而鋁含量較低的熱障涂層粘結層，從而解決傳統(tǒng)熱障涂層粘結層中鋁含量與基體中鋁含量差別過大，導致粘結層由于鋁向基體中快速擴散而產生馬氏體相變的問題。本發(fā)明是通過在鎳基高溫合金表面鍍Pt，然后采用固體粉末滲鋁法，在鎳基高溫合金表面制備出一種Pt改性的NiAl+Ni3Al涂層。Pt+β -NiAl相分布在涂層的表面，涂層
3鋁含量從表面向內部逐漸減低，
最終在涂層的內部形成以Pt+γ-Ni+γ ‘ -Ni3Al為主的相。這種涂層，由于其鋁含量從外到內是逐漸降低的，因此其內部鋁的擴散速率將會大大小于傳統(tǒng)的粘結層材料，從而保證了涂層表面鋁的含量，減少了由于相變產生應力的可能性，增加了熱障涂層體系的壽命。本發(fā)明在鎳基高溫合金基體表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al熱障粘結層的方法， 其特征在于具有以下的過程和步驟
(a)通過電鍍的方法在鎳基高溫合金表面鍍上一層厚度為5 12μ m的Pt;
(b)將鍍Pt高溫合金基體在90(Tl20(rC的溫度下加熱處理廣3h；
(c)將上述經加熱處理的鍍Pt高溫合金基體放入裝有均勻混合的粉末滲劑的剛玉坩堝中。采用粉末包埋滲的方法，將高溫合金基體包埋于粉末滲劑中，加熱到80(Tl20(rC，保溫2 6h。并最終在高溫合金基體表面生成Pt+ β -NiAl+ y ‘ -Ni3Al涂層；
所述粉末滲劑的成分以及質量百分含量為Γ10%&-Α1或者Ni-Al、2 4%NH4C1和 86 94%A1203。本發(fā)明的Pt+β-NiAl+γ ‘ -Ni3Al涂層表面是β-NiAl相，在氧化性環(huán)境中可以生成致密的Al2O3氧化膜，能有效保護基體不被氧化。同時與基體相連的粘結層下部為
Y‘ _Ni3Al+Y-Ni相，保證了與高溫合金基體的粘結性能。與傳統(tǒng)的粘結層材料相比，這種涂層克服了因Al耗散過快而造成熱障涂層失效的問題，使熱障涂層壽命大大增加。并且與傳統(tǒng)的涂層制備方法相比，此發(fā)明操作方法簡單，成本低廉。有關本發(fā)明熱障粘結層的機理
(1)粘結層從表面到內部鋁含量不斷減小，粘結層與高溫合金基體界面處鋁的濃度梯度很小。表面Pt含量很高(2548wt.%)，Pt以置換固溶體的形式存在于涂層中，對改善涂層的抗氧化性能以及增強粘結層與陶瓷層的粘結性能起到有益的作用。(2)粘結層表層鋁含量很高(17_21wt.%)，具有很好的抗氧化性能；而內層鋁含量較低(8-12wt.%)，涂層內層組織相結構與高溫合金基體的組成相相同，因此與基體的粘結性能優(yōu)于傳統(tǒng)的粘結層材料。(3)粘結層在高溫氧化環(huán)境中，表面鋁向內部擴散的速率慢，出現(xiàn)馬氏體相變的可能性大大降低。本發(fā)明的特點和優(yōu)點
與傳統(tǒng)的熱障涂層粘結層相比，本發(fā)明制備的涂層不論是在性能還是在經濟因素上都具有較大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在
1.涂層抗氧化性能好，結構穩(wěn)定。運用此發(fā)明制備的Pt+β-NiAl+γ' -Ni3Al涂層其表面是β-NiAl相，具有良好的抗氧化能力。同時涂層與基體之間鋁濃度梯度較小，涂層表面鋁元素向基體擴散的速率較慢，因此涂層內部由于相變而產生的應力較小，涂層結構穩(wěn)定，使用壽命增加。2.與基體粘結性能好。運用此發(fā)明制備的Pt+β-NiAl+γ ‘ -Ni3Al涂層下部是
Y’ -Ni3Al+ y -Ni相，與高溫合金基體組成相相同，因此具有很好的粘結性能。3.操作簡單，成本低廉。與使用噴涂等方法制備粘結層相比，此發(fā)明采用固體粉末滲鋁的方法制備粘結層設備簡單，操作方便，成本低廉。尤其對于有孔零件的表面涂層的制備，更具有明顯優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明中具有Pt+i3_NiAl+Y' -Ni3Al粘結層的熱障涂層結構示意圖。其中a-陶瓷層，b- TG0, C- Pt+β-NiAl+y ‘ -Ni3Al粘結層，d-高溫合金基體。
具體實施例方式實施例1 選取高溫合金DZ417G作為基體，將其線切割為15mmX IOmmX 3mm的片狀，分別使用120#，400#，800#和1200#水磨砂紙將其表面打磨平整，然后將其放入裝有丙
酮的燒杯中，使用超聲波清洗二十分鐘。將試樣從燒杯中取出后，使用清水將樣品表面的丙酮沖洗干凈，再用無水乙醇沖洗，最后用吹風機將其吹干，待用。在已經清洗干凈的樣品表面電鍍上厚度為5 Mffl的Pt層，然后將電鍍好的基體在 1050°C加熱處理2h。把混合均勻的滲劑置于剛玉坩堝中，粉末滲鋁使用的滲劑成分為6wt.%Cr_Al、 2wt. %NH4C1和92wt. %的A1203。將上述經過熱處理的鍍Pt高溫合金基體埋入到滲劑中，保證高溫合金基體基本處于坩堝的中央且完全被粉末滲劑掩埋。使用高溫耐火泥和高溫膠將坩堝密封嚴實。然后使用吹風機將耐火泥吹干。將密封好的坩堝放入到電阻爐中，通入保護性氣氛，將其加熱到1100°C，保溫池。然后關閉電源，將試樣與坩堝隨爐冷卻，從而得到 Pt+β-NiAl+γ ‘ -Ni3Al 涂層。實施例2 在清洗干凈的高溫合金基體表面鍍上厚度為7 Mffl的Pt，然后將其在 1100°C下加熱處理3h。粉末滲鋁使用的滲劑成分為8wt.%Ni-Al、2wt.%NH4Cl和90 wt. % 的Al2O3，其它工藝與上述工藝相同。圖1中Pt改性的NiAl+Ni3Al基熱障涂層粘結層(c)， 位于熱障涂層體系的中部，其上部為TGO (b)層，TGO上部為陶瓷層(a)，粘結層下部為高溫合金基體(d)。
權利要求
1. 一種鎳基高溫合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al熱障粘結層的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟(a)通過電鍍的方法在鎳基高溫合金表面鍍上一層厚度為5 12μ m的Pt;(b)將鍍Pt高溫合金基體在90(Tl20(rC的溫度下加熱處理廣3h；(c)將上述經加熱處理的鍍Pt高溫合金基體放入裝有均勻混合的粉末滲劑的剛玉坩堝中；采用粉末包埋滲的方法，將高溫合金基體包埋于粉末滲劑中，加熱到80(T120(TC，保溫 2飛h ；并最終在高溫合金基體表面生成Pt+ β -NiAl+ γ ‘ -Ni3Al涂層；所述粉末滲劑的成分以及質量百分含量為Γ10%&-Α1或者Ni-Al、2 4%NH4C1和 86 94%A1203。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在鎳基高溫合金基體(c)表面形成Pt改性的β-NiAl+γ′-Ni3Al熱障涂層粘結層的方法。具體的說，這種涂層表面(a)是Pt+β-NiAl相，而內部(b)則是Pt+γ-Ni+γ′-Ni3Al相。這種雙相結構克服了傳統(tǒng)熱障涂層粘結層由于涂層與基體鋁含量相差太大，鋁快速擴散而引起馬氏體相變的問題，在保證了涂層抗氧化性能的同時兼顧了涂層與基體的粘結性能，與傳統(tǒng)粘結層材料相比，具有比較大的優(yōu)勢。本發(fā)明中的Pt+β-NiAl+γ′-Ni3Al涂層的形成是通過粉末包埋滲鋁法完成的。具體實施工藝是首先在高溫合金基體上鍍上一層Pt后，然后將其進行加熱擴散處理。最后將擴散均勻的鍍Pt基體進行粉末包埋滲鋁處理，通過控制滲鋁工藝得到此種結構和相的涂層。
文檔編號C23C28/02GK102181860SQ20111007275
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權日2011年3月25日
發(fā)明者姚培培, 操光輝, 歐桃平 申請人:上海大學