[发明专利]制备具有Pt金属改性的γ－Ni+γ＇－Ni3Al合金组分及活性元素的高温涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种沉积高温、抗氧化涂层的合金组分的方法。基于这些合金组分的涂层可以单独使用或者例如，在高温系统中作为部件热障系统的一部分。

背景技术

高温机械系统部件，例如，燃气涡轮发动机，必须在严格的环境下操作。例如，在商业航空引擎中暴露到热空气的高压汽轮机的桨片和叶片通常金属表面的温度约为900-1000℃，短期峰值可高达1150℃。附图1显示了应用于高温机械系统中的部分典型金属物品10。桨片10包括涂有热障涂层(TBC)14的Ni或Co-基超级合金基底12。热障涂层14包括隔热陶瓷外涂层20以及下面的金属结合层16。通常用空气等离子体喷涂或者电子束物理气相沉积实施的外涂层20，是当前最常用的大约厚300-600μm的氧化钇-稳定二氧化锆(YSZ)层。YSZ的性质包括低导热性，高透氧性，相对较高的热膨胀系数(CTE)。通过沉积包括许多孔和/或通道的结构也可以使YSZ外涂层20“抗应变”。从而，YSZ外涂层20的高透氧性受到金属结合层16必须抵抗氧化作用侵蚀的约束。因此结合层16富集足够的Al以形成A1₂O₃的保护性热生长氧化物(TGO)的氧化层18。除提供的抗氧化性能外，TGO将陶瓷外涂层20结合到基底12以及结合层16上。

TGO氧化层18的附着力和机械完整性取决于结合层16的组分及结构。理想情况下，在高温条件下，结合层16应该氧化形成很好地附着在超级合金基底12上的慢生长的、无孔TGO氧化层。传统的结合层16一般是(i)具有β-NiAl+γ-Ni相结构的MCrAlY覆盖层(其中M＝Ni、Co、NiCo或Fe)或者是(ii)具有β-NiAl相结构的铂-改性的扩散铝化物。在任何一个这些类型的涂层中Al含量足够高，使得Al₂O₃氧化层18在涡轮部件使用期间重复剥落之后能够再复原。

然而，Al富集组分和涂层微结构中的β-NiAl占优势的结果是，这些涂层与具有γ-Ni相和γ初级-Ni₃Al(此处指的是γ-Ni+γ′-Ni₃Al或γ+γ′)微结构的Ni-基超级合金基底不相容。当使用具有γ-Ni+γ′-Ni₃Al微结构的超级合金基底时，Al从涂层扩散到基底。这种Al的相互扩散耗尽了涂层中的Al，这会降低涂层经受Al₂O₃氧化层生长的能力。额外的扩散也会引入不需要的相变以及可促进氧化层剥落的元素。β-NiAl基涂层的其他缺点是，由于CTE的不同，与γ-Ni+γ′-Ni₃Al-基的基底不相容。

Rickerby等人的美国专利No.5,667,663和No.5,981,091所描述的另一种在γ-Ni+γ′-Ni₃Al-基金属物品28上沉积保护涂层的方法示于图2A中。用Pt层32涂覆在超级合金基底30的外表面，然后热处理。参照图2B，在该热处理过程中，发生了相互扩散，该相互扩散包括Al从超级合金基底30到Pt层32的扩散，在超级合金基底上形成Al-富集的Pt-改性外表面区域34(附图2B)。然后在表面改性区域34上可形成Al₂O₃ TGO氧化层38，并且也可用传统技术沉积陶瓷外涂层。但是，由于超级合金基底30中的过渡金属也存在于表面改性区域34，很难精确控制表层区域34的组分及相结构以提供改善TGO氧化层38的附着性的最佳特性。Rickerby等人进一步建议该镀铂及热处理工序可以包括在铂-富集表层结合达到0.8重量％的Hf或Y，但是没有提供获得该表层成分的具体沉积方法或填充物成分。

美国公开文本No.2004/0229075 Al描述了适合于结合层应用的合金成分。合金包括相对浓度的Pt族金属、Ni和Al以提供γ+γ′相结构，其中γ是指固溶体Ni相并且γ′是指固溶体Ni₃Al相。在这些合金中，存在Pt-族金属，Ni和Al，并且限制相对于Ni和Pt-族金属浓度的Al浓度，使得合金实质上不包含β-NiAl相。这些合金示于图3的区域A中。