[发明专利]用于制备保护涂层的合金组合物及其用途及应用方法以及涂覆有该组合物的高温合金制品

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备保护涂层的合金组合物和该组合物的用途及其应用方法以及涂覆有该组合物的高温合金。 

背景技术

众所周知，在效率和可获得的能量方面，燃气轮机的性能在本质上与热力学循环的最大温度有关，也就是与接触燃气轮机部件金属壁的热气体的温度有关，特别是第一转子和定子级的涡轮叶片。 

用于构成暴露到高温下的部件的高温合金因此受压至其工艺极限，并因此由于越来越高的运行温度和使用较低品质的燃料而受到由连续增加的疲劳所产生的氧化、腐蚀和侵蚀过程。 

因此产生了用能保护这种部件的结构并延长它们的可靠性的成分来涂覆这种部件的表面的需要。 

已知具有金属组合物的高温合金部件的涂料，金属组合物如MCrAlY型，其中M可以为镍、钴或铁。 

该后者一般通过空气等离子喷射(APS)和真空中或低压等离子喷射(VPS或LPPS)而涂覆，或者由氧气-燃料系统(HVOF)热喷射而涂覆。 

MCrAlY型组合物通常用于保护基板不受到氧化和腐蚀。 

特别是在疲劳的环境中，如在第一级涡轮叶片的情况下，MCrAlY组合物一般与层叠的陶瓷绝热层缔合。 

MCrAlY组合物具有保护高温合金基板不被氧化、并将该绝热层锚固其上的任务。 

实际上，存在于MCrAlY组合物中、与氧接触的铝氧化而选择性地形成α-Al₂O₃层。 

这种非常致密的且在轮机的运行温度900-1100℃下化学稳定的氧化物防止氧进一步向下面的金属基板扩散，而保护了高温合金部件不被氧化。 

另外，基板和绝热层之间的锚固功能通过存在Y、Re和Hf时，由所述Y、Re和Hf的氧化而产生的通常称为钉(peg)的突起和通过绝热层自身内的Al³⁺离子的扩散共同地机械地进行。 

MCrAlY型组合物可以被宏观地同化到主要由普遍含有Ni、Co和Cr的晶格γ构成的金属合金中，该晶格γ中分散有第二富铝β相，特别是以Ni-Al和/或Co-Al形式的颗粒。 

在氧化的环境中，β相的铝与氧反应产生α-Al₂O₃的保护薄层。 

一般地，在涂料稳定性、可延展性和耐腐蚀性方面，NiCoCrAlY组合物表现出比NiCrAlY更好的特性。 

涂料组合物的显微结构特性及其因此首先在耐久性方面的性能受到组成该组合物的成分和各成分的重量含量的很大影响。 

组成成分可以分为主要两类：反应性成分和惰性成分。 

通过与环境中的氧反应，首先，主要是Y、Si和Hf在与氧化铝的边界区域形成氧化物。这种氧化物产生了氧的优先途径的形成，该氧接着与涂层中的Al反应以形成能结合预先形成的稳定保护薄层的氧化物的氧化铝薄层。在层叠的绝热层存在下，这些氧化物机械地用作氧化铝和绝热层自身之间的锚固。 

反应性成分的另一个主要功能为减慢涂层中的铝和铬的向外扩散，防止损耗并由此延长了寿命。 

反应性成分的存在还有助于防止硫在氧化铝薄层和涂层之间的界面熔析(segregation)。铬的存在对预防高温腐蚀很有效，该高温腐蚀伴随着形成 脆化的硫化物，提高了延性脆性转变温度(DBTT)。 

惰性成分，如Re和Pt，借助于它们的大尺寸和更高的密度可以互相作用，作为用于将铝和铬向外输送而将氧向内输送的扩散阻挡层。那样，由于β相的损耗而减慢了氧化铝薄层的生长，否则会随着之后在高温合金部件中形成微腔以及由此产生的热机械疲劳现象，而产生存留的铝耗尽以及涂层保护效率的损失。 

目前，已知有用于涂覆高温合金制品的各种不同类型的MCrAlY型组合物。 

专利US5268238中公开了例如具有可能添加的Re、Si和诸如Hf、W、Ta、Ti、Nb、Mn和Zr的元素的MCrAlY型组合物。 

此外，专利US6756131中公开了含有镍、钴、铬、铝、钇和铼的耐高温的MCrAlY型组合物的用途。 

特别是，如W·Beele等人所描述(Surface and coating Technology(表面和涂覆技术)，1997，94-95)的，通过直接在Al₂O₃薄层下形成富铬σ相和比σ相更富含铬的α相，铼能使β相的消耗减慢。这种相补偿了消耗的区域并由此防止了涂层的脆化，阻止了砂眼的形成。表1示出了存在于一般的NiCoCrAlYRe组合物中的相的化学组成。 

表1