[发明专利]一种二元活性元素共掺杂的热障涂层粘结层材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热障涂层制备技术，具体是指用电子束物理气相沉积和低压等离子喷涂两种方法分别沉积一种二元活性元素改性热障涂层粘结层材料的制备方法。

背景技术

燃气涡轮机叶片所处的工作环境非常的恶劣和复杂，受到热应力、机械应力、涂层内部的化学反应和腐蚀交互作用。然而就叶片用的高温合金发展来看，高温合金从等轴晶发展到定向凝固以及单晶，虽然使用温度得到了一定程度的提高，但是单晶高温合金叶片的制备工艺复杂，大量稀土元素的加入也使得合金的性能不稳定；另一方面，通过气膜冷却技术使叶片工作温度再提高几百摄氏度也极为困难。在这种情况下，热障涂层（Thermal Barrier Coatings）作为一种具有抗高温氧化腐蚀和隔热功能的表面防护技术是改善这种状况的有效途径之一，热障涂层的隔热效果非常明显，并且技术的研究成本较低，工艺可行。

多数实际应用的热障涂层由起隔热作用的陶瓷层和缓解陶瓷层与基体合金热膨胀不匹配应力、提高基体抗氧化腐蚀性能的粘结层组成。在热障涂层服役过程中，粘结层表面将形成一层热生长氧化物，由于粘结层成分对氧化层的生长速度、成分、完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用,这些因素直接影响着热障涂层的寿命。因此,粘结层成分和表面结构的优化对于提高热障涂层的寿命非常关键。目前传统的粘结层材料使MCrAlY系合金只能在低于1150℃的环境中使用，其在更高温度的使用会生成相对较厚的氧化膜和随之而来的不断加剧的局部剥落。而NiAl体系合金具有熔点高、热膨胀系数低、抗高温氧化性好等优点，并且NiAl体系的粘结层因其保护性氧化膜具有“自我修复”性能，可在较高温度环境中使用。但是，研究发现对于NiAl体系的涂层，高温氧化时在金属/氧化膜界面形成大量孔洞，弱化界面结合，这往往是氧化膜自界面处剥落的前兆（参考文献1：TOLPYGO V K,CLARKE D R.Surface rumpling of a(Ni,Pt)Al bond coat induced by cyclic oxidation[J].Acta Materialia,2000,48(13):3283-3293.）。因此需要添加活性元素Hf、Zr、Dy等对NiAl涂层进行改性，掺杂一元活性元素改性NiAl涂层时，如果掺杂量过少，无法充分发挥活性元素效应；如果掺杂量过多，会生成较多的活性元素的氧化物，内氧化现象严重，并且氧化膜的生长速率加快，导致涂层过早失效。

发明内容

本发明提出了二元活性元素Dy、Hf共掺杂改性NiAl涂层的两种制备方法。第一种是利用电子束物理气相沉积制备二元活性元素Dy、Hf共掺杂改性的NiAl涂层的方法；第二种是利用低压等离子喷涂制备二元活性元素Dy、Hf共掺杂改性的NiAl涂层的方法。该涂层中Al含量为40～55at%,Dy含量为0.025～1.00at%,Hf含量为0.025～1.00at%,余量为Ni。二元活性元素共掺杂方法可以通过添加总量较少的活性元素，减少内氧化的现象及抑制活性元素氧化物的生成，同时又发挥了活性元素的效应。

要制得所述的二元活性元素共掺杂的NiAl涂层，所采用的制备技术是电子束物理气相沉积和低压等离子喷涂，制备方法包括下列步骤：

第一步：准备基体材料；

利用线切割的方法将基体材料切成规格为10×8×3mm³的试样，然后依次用400#、600#、800#的SiC水磨砂纸将基体六个面全部打磨，使基体表面粗糙度Ra<0.8，将12条棱全部倒成圆角，将打磨好的基体依次用丙酮和乙醇超声波清洗约10min，烘干，备用。所述基体材料选择为NiAL合金或DD6镍基单晶高温合金。

第二步：准备涂层材料；

（A）如采用电子束物理气相沉积方法制备NiAlDyHf涂层，需准备蒸发料棒。

料棒的成分为Ni、Al、Dy、Hf，其中Al含量为40～55at%,Hf含量为0.025～1.00at%,Dy含量为0.025～1.00at%,余量为Ni，料棒的规格为直径68.5mm。使用高纯镍（Ni）、高纯铝（Al）、纯度为99.7%的镝（Dy）、纯度为99.7%的铪（Hf），按所设计的成分配比，采用电弧熔炼的方法制备。在熔炼前，先对镍块及铝块表面进行打磨以保证表面无氧化膜存在，然后依次用丙酮和无水乙醇超声波清洗约15分钟，烘干，最后将配制的合金用电弧熔炼方法制得靶材，备用。

（B）如采用低压等离子喷涂方法制备NiAlDyHf涂层，需准备粉末。