[发明专利]新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层及其制备方法，可用做燃气轮机静叶片和动叶片热障涂层的粘结层，能够提高高温合金叶片的抗高温氧化性能和热障涂层的粘结性。

背景技术

当前，我国快速发展的经济形势对于电力的需求持续增长，但现在主要使用和服役的燃煤蒸汽轮机存在效率低下、资源浪费等一系列问题。随之产生的环境污染问题更是在近几年不断恶化，雾霾天气日益严重。而解决这些问题的一大出路就是使用高效联合循环燃气轮机组替代传统蒸汽轮机。作为燃气轮机的核心部件，叶片通常需要暴露在高温高应力环境下，所以用来制造燃气轮机叶片的高温合金材料需要具有优异的抗高温蠕变等力学性能，同时又要求有出色的抗高温氧化性能。因此，为了改善材料的高温力学性能，往往需要在基体中添加钒、钼、钨等合金元素，同时减少铝(可以起到抗高温腐蚀的作用)元素的含量，导致制备出的合金材料难以同时具有较好的高温力学性能和抗高温腐蚀性能。作为解决办法，一般可以在基体表面涂覆抗高温氧化腐蚀的涂层，从而起到保护具有优异高温力学性能的高温合金基体的作用。

应用于燃气轮机叶片高温氧化保护的涂层主要是以MCrAlY作为粘结层的热障涂层体系，MCrAlY涂层M指Fe、Ni、Co等，Cr就是金属Cr，Al就是金属Al，Y指稀土元素Y，就是稀土元素改进的高铝化物涂层。在燃气涡轮发动机工作条件下，粘结层温度超过了700℃，会导致粘结层氧化，在粘结层和陶瓷层形成1-10μm厚的热生长氧化物(TGO)。在粘结层和陶瓷层界面处形成连续致密的TGO层(主要成分为Al₂O₃)，可以减缓氧化速度，对改善粘结层的抗氧化性是有益的。但是，由于TGO的形成是一个体积膨胀过程，界面会限制这种体积变化，并且TGO与粘结层金属的热膨胀系数相差很大，因此，在TGO形成时，在其内部会随之出现残余应力，冷却到环境温度时，热失配引起的残余应力会进一步增大，应力增加到一定程度就会在粘结层/陶瓷层界面形成分层裂纹而引起涂层剥落失效。所以，在叶片服役过程中，粘结层/陶瓷层界面是热障涂层的薄弱环节。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种具有优异结合力与高温氧化保护性能从而避免热障涂层过早剥离和失效的新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层。

本发明的第一个目的通过以下的技术措施来实现：一种新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层，其特征在于：它包括依次涂覆在燃气轮机叶片高温合金基体上的MCrAlY层、SiC晶须层和陶瓷层。

本发明采用SiC晶须层，它比常规MCrAlY层具有更高的粗糙度，由MCrAlY层和SiC晶须层构成的复合涂层作为热障涂层的粘结层，可以提高热障涂层的粘结力，防止热障涂层过早剥落，同时SiC晶须具有优异的耐热性和耐腐蚀性，提高了叶片的抗高温氧化性能。

本发明的原理是：在服役过程中，SiC晶须涂层中长晶须通过桥接、拔出等机制来阻碍粘结层/陶瓷层界面分层裂纹的萌生及扩展，从而提高了粘结层与陶瓷层的结合力，解决了现有的粘结层/陶瓷层界面易生成分层裂纹而导致涂层剥落的问题。

作为本发明的一种实施方式，所述MCrAlY层中M指Ni或Co或NiCo的组合，成分组成(质量百分数)：M(10～30Cr)(5～15Al)(0.5～1Y)，剩余为Ni或Co或NiCo组合；SiC晶须层的成分为(质量百分数)：Si50C50；陶瓷层的成分为(质量百分数)6～8％Y₂O₃部分稳定的ZrO₂。

作为本发明的一种优选实施方式，所述的MCrAlY层厚度为100～200微米。

作为本发明的一种优选实施方式，所述的SiC晶须层厚度为40～100微米。

作为本发明的一种优选实施方式，所述的陶瓷层厚度为100～300微米。

本发明的第二个目的在于提供一种上述新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层的制备方法。

本发明的第二个目的通过以下的技术措施来实现：一种上述新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴燃气轮机叶片高温合金基体上喷涂MCrAlY制备得到MCrAlY层；

⑵在MCrAlY层上采用冷等静压法将SiC粉末压制成粉层，再用激光束垂直照射粉层，使SiC粉末原位生长形成SiC晶须层；

⑶在SiC晶须层的表面涂覆陶瓷层，获得新型SiC晶须增强燃气轮机叶片复合涂层。