[发明专利]一种用于Ti－Al合金的Al/Al2O3/MCrAlY复合涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种用于Ti-Al合金高温防护的 Al/Al₂O₃/MCrAlY复合涂层及制备方法。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物基合金(α₂-Ti₃Al、γ-TiAl和O-Ti₂AlNb)因其低密度、 高弹性模量和优异的高温性能成为目前具有广泛应用前景的新型高温材料之一， 被认为是航空航天和汽车工业用理想的轻型高温结构材料。Ti-Al系合金在应用中 存在的普遍问题是抗氧化性不足和环境脆性(高温下合金中溶解氧造成合金变脆) 的问题，α₂-Ti₃Al合金的氧化限制温度为600-650℃，γ-TiAl合金的氧化限制温度为 800-900℃，O-Ti₂AlNb合金氧化限制温度介于二者之间，约650-700℃，都低于合 金的蠕变限制温度，使合金的力学性能不能得到充分发挥。目前Ti-Al系合金的高 温防护仍是一个尚未解决的难题。

人们采用各种方法改善Ti-Al系合金的高温氧化性能，一种是在合金中加入 或离子注入Nb，Cr，Mo，Si等有利于改善合金抗氧化性能的元素，但合金化会受到 合金力学性能的限制，离子注入层较薄，对合金高温氧化性能的改善不大；另外 一种就是在合金表面加防护涂层。防护涂层有两种，扩散渗涂层和包覆涂层，由 于扩散渗Al，Si或Al-Si共渗容易生成脆性相(TiAl₂和TiAl₃都很脆)，实用中带 来力学性能降低；Ti-Al系合金表面的包覆涂层包括已广泛用于镍基合金高温防护 的MCrAlY涂层和与Ti-Al系合金成分相近的TiAlAg、TiAlCr涂层。TiAlAg、TiAlCr 合金涂层在Ti-Al系合金上具有良好的高温氧化性能，但这些合金的成分使其靶 材的加工非常困难，难以用于工程化生产。MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co)涂 层在镍基高温合金的防护上取得良好的效果，而且成分和厚度可按要求控制，满 足不同使用工况条件的要求，因此作为高温防护涂层和热障涂层粘结底层已广泛 应用于燃气轮机叶片的高温防护。相关应用的文献如：①中国发明专利，一种爆 炸喷涂制备热障涂层的方法，申请号01133423.1；②中国发明专利，一种抗氧化 热障涂层及制备方法，申请号02133193.6；③中国发明专利，一种抗热冲击热障 涂层的制备方法，申请号03133344.3；④中国发明专利，一种NiCoCrAlYSiB抗 热腐蚀涂层及其制备方法，申请号03111363.X；等等。但这种涂层用于TiAl合金 遇到严重的互扩散问题，涂层中Ni、Co和Ti-Al合金基体中的Ti和Al反应生成 一些脆性的金属间化合物相，造成元素的上坡扩散和涂层的快速退化，而且涂层 和合金界面上生成的脆性相将影响合金的力学性能。因此，要将MCrAlY涂层成 功用于Ti-Al合金，必须解决MCrAlY涂层与Ti-Al合金间的化学不匹配问题。在 高温防护涂层体系中加入扩散阻挡层，可以使高温防护涂层设计不用担心合金基 体的影响，可以将MCrAlY涂层应用于本来与之严重化学不匹配的Ti-Al系合金 (α₂-Ti₃Al、O-Ti₂AlNb、γ-TiAl基合金)。至今将扩散阻挡层+MCrAlY复合涂层 成功用于Ti-Al合金的报道尚未见到。

发明内容

为了改善Ti-Al合金的高温氧化抗力，保证其在高温环境中的服役性能，本 发明的目的在于提供一种性能优良、易制备的Al/Al₂O₃/MCrAlY复合涂层，解决 MCrAlY涂层与Ti-Al合金间的化学不匹配问题，用于Ti-Al合金的高温防护。

本发明的技术方案为：

一种用于Ti-Al合金的Al/Al₂O₃/MCrAlY复合涂层，包括依次沉积于合金基 体上的Al/Al₂O₃扩散阻挡层和MCrAlY合金防护涂层，Al薄膜、Al₂O₃薄膜和 MCrAlY防护涂层之间的厚度比为(1～5)∶(1～5)∶(20～50)；MCrAlY合金中， M为Ni，Co或Ni+Co。