[发明专利]镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al热障粘结层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni₃Al热障涂层粘结层的方法，属金属表面涂层技术领域。

背景技术

现代航空燃气涡轮发动机大推力、高效率、低油耗和长寿命的发展趋势使涡轮发动机进口温度不断提高。虽然高温合金的不断发展使其性能有了很大的提高，但其提升幅度已远远不能满足涡轮发动机使用的需要。因此，寻找新的冷却方法以及在高温合金表面制备耐高温和抗氧化的热障涂层，从而降低高温合金基体表面的温度和防止基体的氧化就成了一种十分必要且有效的技术。

热障涂层一般由外部陶瓷层和内部金属基的粘结层两层材料组成。通常情况下，陶瓷层为Y₂O₃（7~8 wt.%）稳定的ZrO₂通过大气等离子喷涂（Air plasma spraying）或者电子束物理气相沉积（Electron beam-physical vapor deposition）的方法制备于金属粘结层的表面。陶瓷层材料具有较低的热导率，同时其内部存在许多的空位和缝隙，因此具有很大的氧扩散系数。特别是通过电子束物理气相沉积法制备的陶瓷层，其结构为柱状晶结构，各个柱状晶之间存在较大的空隙，氧的透过能力很强。基于以上原因，位于陶瓷层下部的粘结层必须要具有非常好的抗高温氧化性能，才能保证高温合金基体不被氧化，从而增加其使用寿命。

粘结层的抗氧化机理就是通过在表面生成一层致密的TGO （Thermal grown oxide）层，阻止氧进一步向基体中的扩散，从而起到保护基体的作用。同时，大部分的热障涂层的失效都是由于陶瓷层与TGO层或者粘结层与TGO层发生脱粘而引起的，因此能否生成一层致密的氧化层，同时能否与基体保持良好的粘结性能，是衡量一种粘结层材料是否合适两个很关键的因素。

传统的热障涂层粘结层材料，主要是MCrAlY（M = Ni，Cr or Ni+Cr）或者是Pt改性的NiAl合金。这两种涂层由于表面铝含量很高，在有氧的环境下可以生成致密的Al₂O₃层，阻止氧进一步向内部扩散，因此具有很好的抗氧化性能。但由于其与镍基高温合金中的铝含量相差太大，因此涂层中的铝向内部扩散速率很快，导致涂层很容易由于铝含量的缺失而发生马氏体转变，并最终由于内部应力过大而导致陶瓷层的脱落，使热障涂层失效。

发明内容

本发明旨在制备一种Pt含量较高而铝含量较低的热障涂层粘结层，从而解决传统热障涂层粘结层中铝含量与基体中铝含量差别过大，导致粘结层由于铝向基体中快速扩散而产生马氏体相变的问题。

本发明是通过在镍基高温合金表面镀Pt，然后采用固体粉末渗铝法，在镍基高温合金表面制备出一种Pt改性的NiAl+Ni₃Al涂层。Pt+β-NiAl相分布在涂层的表面，涂层铝含量从表面向内部逐渐减低，

最终在涂层的内部形成以Pt+γ-Ni+γ′-Ni₃Al为主的相。这种涂层，由于其铝含量从外到内是逐渐降低的，因此其内部铝的扩散速率将会大大小于传统的粘结层材料，从而保证了涂层表面铝的含量，减少了由于相变产生应力的可能性，增加了热障涂层体系的寿命。

本发明在镍基高温合金基体表面形成Pt改性的NiAl+Ni₃Al热障粘结层的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

（a）通过电镀的方法在镍基高温合金表面镀上一层厚度为5~12 μm的Pt;

（b）将镀Pt高温合金基体在900~1200℃的温度下加热处理1~3h；

（c）将上述经加热处理的镀Pt高温合金基体放入装有均匀混合的粉末渗剂的刚玉坩埚中。采用粉末包埋渗的方法，将高温合金基体包埋于粉末渗剂中，加热到800~1200℃，保温2~6h。并最终在高温合金基体表面生成Pt+β-NiAl+γ′-Ni₃Al涂层；

所述粉末渗剂的成分以及质量百分含量为：4~10%Cr-Al或者Ni-Al、2~4%NH₄Cl和86~94%Al₂O₃。