[发明专利]在基于硅和铌的难熔复合材料上形成抵抗高温氧化的防护性涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在基于硅和铌的难熔复合材料的表面上形成抵抗高温氧化的防护性涂层的方法。本发明还涉及复合材料部件，特别为航空发动机部件，其使用上述方法进行防护。 

背景技术

用于航空发动机涡轮的材料的机械强度和抗氧化性限制了发动机的性能水平。最近的研究表明，对于涡轮机叶片，壁温通常达到1050-1100℃，而使用的金属合金组合物(镍基超合金)和生产方法的优化，部件内部冷却线路的改善和使用热绝缘涂层不允许达到约1300℃的预期壁温。一种预想用于在这样的温度下工作的方法是使用由两种高度难熔相组成的复合材料，其中一种相是金属Mss(Mss是指固溶体形式的相，M是与多种元素例如Si、Ti、Cr、Hf、Al等合金化的Nb基合金)，该相赋予材料在环境温度下的足够抵抗性，另一种相是金属间化合物M₅Si₃，它在高温下提供所需的强度和抗蠕变性。这些材料在下文中称为“Nb-Si型复合材料”。这些是本发明所涉及的材料。 

还预想通过替换目前使用中的叶片将这些Nb-Si型复合材料在中温(700-1000℃)下用于低压涡轮，所述叶片是由密度为7.75-8.6的镍基超合金铸造而成。使用这些密度为6.6-7.2的Nb-Si型材料允许结构变得更轻，这例如对于驾驶员是重要的关键因素。 

然而，它们因其对于中温或高温下的氧化的抵抗性低而发展缓慢，尽管将大量“有益”元素加到它们的初始组成(Hf、Si、Cr、B、C、Zr、Ti和Al)中。当使这种材料经受燃气轮机的工作条件时，其根据使用的等级会在几分钟到数十小时的时间内因氧化而被破坏。 

看来，通常高于800℃的氧气渗透入金属相中从而首先氧化它们，初始留下下硅化物相(M₅Si₃)基本不受腐蚀。界面和晶粒的接合有助于氧扩散。然后， M₅Si₃相又变为氧化物。 

另一个问题在于，在低温下，典型在500-800℃之间，由于在金属相Mss中极低的扩散动力学，这类材料不能快速产生防护性氧化物层。这导致M₅Si₃相的优先氧化，其形成脆性的非防护性氧化物，该氧化物导致这些相的破坏，并逐渐导致材料的破坏。这类氧化被称为“疫病效应(plague effect)”。 

目前已经提出用于防护该族合金的方案。例如，在专利US 4904546(M.R.Jackson，27/02/1990)中，提出通过等离子体投射类型的物理沉积方法形成基于钌的防护，相应于下式： 

(Ru_{从(19-x)到(34-x)}(∑Fe+Ni+Co)_xAl_从22到28Cr_{从(5.6-y)到(44-y)}Fe_y

优选的组成：Cr₅₅Al₂₀Ru₁₄Fe₁₁。 

同一申请人的专利US 4980244教导了该涂层的变体，其中添加有0.2原子％的钇来替代钌。除了施加这种涂层的困难之外，还应注意，越来越严重的资源短缺使得选择钌并不可维持。 

在另一专利US 5019334中，M.R.Jackson提出使用化合物MCrAlY(其中M＝Ni、Co和/或Fe)作为防护性涂层用于这些合金，并通过添加氧化铝到涂层而适应于热膨胀差。任选地，使用上述的合金RuCrAl。 

由M.R.Jackson等在US 5932033中提出的另一方案包括增加材料对高温下氧化的固有抵抗性(得益于增加铬含量)。随后，在该复合材料中形成抵抗氧化的新添加相，也就是Laves相，其组成为Cr₂M(其中M＝Nb+Ti+Hf)。在该方法中描述的材料以其存在的状态或作为涂层来使用。在专利US 6419765中教导该材料的另一变体。假设使这两种材料在无涂层的情况下在1400-1600℉(745-856℃)温度预工作至少100小时。然而，已知Laves相非常脆。