[发明专利]长寿命MCrAlY涂层、制备方法和在热端部件的应用

说明书

本发明公开了一种长寿命MCrAlY涂层、制备方法和在热端部件的应用，属于表面工程技术领域。涂层中Y与M主要以金属间化合物M₅Y的形式存在，涂层制备方法包括以下步骤：(1)配料；(2)熔炼‑雾化制粉；(3)热喷涂制备MCrAl涂层；(4)配制渗剂：按照渗剂成分要求将渗剂原料按比例配制渗剂，配好的渗剂进行球磨混合；(5)稀土多元扩散渗：将渗剂和喷涂MCrAl涂层的部件放入真空炉中，进行高温稀土多元共渗，制备MCrAlY涂层。涂层具有结合强度高、耐高温氧化及抗热震性能优良、使用寿命长等特点，可广泛用于航空、舰船、电力、冶金等领域发动机高温热端部件的防护。

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，涉及一种长寿命MCrAlY涂层及其制备方法，以及该长寿命MCrAlY涂层在高温热端部件的应用。特别涉及一种采用扩散渗Y技术制备长寿命MCrAlY涂层的技术，该技术制备得到的含有M₅Y的MCrAlY防护涂层，以及利用该MCrAlY防护涂层提高高温热端部件使用寿命。

背景技术

航空、舰船、电力等重(大)型装备涡轮发动机的叶片、燃烧室、火焰筒等关键热端部件的高温氧化和腐蚀破坏是影响整机寿命、可靠性和运行安全性的主要因素，在热端部件表面制备MCrA1Y(M：Ni，Co或Fe)高温防护涂层，是解决这一问题最有效的方法之一。MCrAlY涂层服役过程中，活性元素Y比Al或Cr与O生成焓更低，在高温环境下Y被优先氧化生成Y₂O₃，富集于氧化膜/合金界面处，通过细化Al₂O₃晶粒和“钉扎”作用，能将氧化膜与涂层基体紧紧“锚住”,增强了合金与氧化膜的粘附性，通过“晶界正效应”，降低了Al，Cr元素的扩散速率，显著增强了涂层高温抗氧化性能。但Y在服役温度过高或时间过长条件下，生成的Y₂O₃会进一步反应生成AlYO₃(YAP)和Al₅Y₃O₁₂(YAG)等Y-Al-O复杂氧化物，上述氧化物会引起沿晶界的“短路扩散”，导致涂层中剩余合金的大量氧化及外层氧化膜的快速增长(1200℃时Y-Al-O体积占比超过40％)，热应力失配导致涂层/基体和涂层/氧化层界面处产生裂纹，降低涂层抗热震性能，加速涂层失效。

金属间化合物是金属的原子按一定比例化合，形成与原来两者的晶格均不同的合金组成物，能形成新的有序超点阵结构，具有优于高温合金的耐热性、比强度、比寿命等优点，高温下具有良好的稳定性及出色的抗氧化性能，MCrA1Y中的Y以高稳定金属间化合物M₅Y形式存在，可通过M₅Y实现Y在涂层中的稳定“供给”，避免Y的快速氧化，具有比Y更出色的高温稳定性和抗氧化性能，显著降低Y-Al-O复杂氧化物对涂层性能的影响，改善涂层热稳定性能，延长高温下涂层的使用寿命。获得M₅Y是提高MCrAlY涂层高温热稳定性的关键。

MCrA1Y合金粉末主要采用感应熔炼-惰气雾化的方法制备，传统粉末制备方法是在熔炼过程中添加Y元素，但由于稀土元素Y的高反应活性，1000℃下Y在O分压为10^-5mbar情况下即发生显著的氧化，即在MCrAlY真空制粉过程中Y已经被氧化生成了氧化物，并通过“遗传效应”保留到涂层中，因此采用在合金化过程中添加元素Y的传统方法，涂层中的Y主要以氧化物形式存在，因此无法获得含有M₅Y的MCrAlY涂层。

发明内容

为了解决现有技术中，涂层中Y以氧化物形式存在，显著降低涂层高温耐氧化及抗热震性能，导致涂层使用寿命和可靠性不足问题，本发明提供了一种提高长寿命MCrAlY(M：Ni、Co或Fe)涂层及其制备方法，具体包括一种采用稀土多元扩散渗Y的技术，以及使用该技术制备MCrAlY防护涂层的方法。采用该技术制备的涂层具有涂层性能稳定、结合强度高、耐高温氧化及抗热震性能优良、使用寿命长等特点。