[发明专利]一种具有含Hf扩散障的高温扩散涂层及其制备方法

说明书

本发明具体涉及一种具有含Hf扩散障的高温防护涂层及制备方法，涂层包括铝化物涂层以及位于铝化物涂层和金属基体之间原位形成的含Hf扩散障；所述铝化物涂层和含Hf扩散障中含有Al、Ni和Hf元素。所述涂层的制备方法包括如下步骤：M‑Hf复合电镀或电泳沉积，退火，渗铝处理后得到所述含Hf扩散障的高温扩散涂层。本发明解决了扩散涂层中难以引入扩散障的难题，利用渗铝过程中的物相变化以及Hf元素在各相中溶解度的不同，发生Hf元素的析出或物相重组，从而得到具有一定阻扩散能力含Hf扩散障。扩散障的存在还可以向涂层内部缓慢的释放活性元素，从而补充涂层内部活性元素的消耗，长久持续的维持活性元素效应。

技术领域

本发明属于高温防护涂层领域，具体涉及一种具有含Hf扩散障的高温扩散涂层及其制备方法。

背景技术

航空发动机涡轮叶片通常由镍基单晶高温合金及其表面的高温防护涂层组成。其中单晶高温合金具有优异的高温力学性能，能够承受高温涡轮叶片使用环境下严苛的力学要求。高温防护涂层中通常含有大量的Al、Cr元素，在高温氧化性环境中能够形成稳定、致密的氧化膜，从而起到防止金属基体进一步被氧化的作用。

镍基单晶优异的高温力学性能主要依靠γ/γ'共格结构实现。为了维持γ/γ'共格结构的稳定性，γ相中固溶了大量的难熔元素。然而，施加高温防护涂层后，涂层与基体之间因存在较大的Al、Ni浓度梯度而发生互扩散，使合金发生由γ-(Ni)向γ'-Ni₃Al甚至β-NiAl的相转变。难熔元素在γ-(Ni)、γ'-Ni₃Al、β-NiAl中的溶解度呈逐渐降低的趋势。相变发生后，原固溶在γ-(Ni)相中的难熔元素以拓扑密排相(Topologically close-packed phase,TCP)析出，并形成二次反应区(second reaction zone，SRZ)，从而减少固溶强化元素的含量，破坏组织的完整性，显著降低合金的抗高温蠕变性能。另一方面，当涂层中的Al、Cr元素向基体发生扩散后，涂层中的抗氧化性元素流失，使得涂层的抗氧化能力降低，进而加速涂层的退化；当基体中的难溶金属元素向涂层发生扩散后，在后续的氧化过程中，会导致氧化膜中产生缺陷，从而破坏氧化膜的完整性。

综上可知，金属基体与涂层之间的互扩散问题严重的破坏基体的力学性能、破坏氧化膜的完整性、加速涂层的退化，成为限制涡轮叶片使用寿命的一个关键因素。为了阻止或缓和高温防护涂层与合金基体之间的互扩散问题，最有效的方法则是在二者之间施加扩散障。国内外关于涡轮叶片用扩散障的研究并不多见，且主要集中在陶瓷扩散障以及少量的金属扩散障的引入和制备上。

然而针对扩散涂层(以镍基高温合金上制备金属铝化物涂层为例)，涂层制备是通过外来Al原子与基体Ni原子产生反应而获得Ni-Al涂层，因此涂层制备过程中需要基体提供大量Ni原子参与固相反应，若在涂层制备前加入扩散障会导致扩散渗铝无法进行。扩散涂层的制备特性给涂层中扩散障的引入造成了极大的难度。如何在不影响扩散涂层制备效率和质量的前提下引入扩散障成为进一步提高扩散涂层性能及使用寿命的一个热点研究方向。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种具有含Hf扩散障的高温扩散涂层及制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种具有含Hf扩散障的高温扩散涂层，其涂覆于金属基体之上，包括铝化物涂层以及位于铝化物涂层和金属基体之间原位形成的含Hf扩散障；所述铝化物涂层和含Hf扩散障中含有Al、Ni和Hf元素。

所述金属基体可以为任意常用的含Ni的耐高温金属基体。

优选的，按原子数量算，所述铝化物涂层和含Hf扩散障中Al元素的浓度范围为20～55％，且Ni：Al＝(1:3)～(3:1)；所述含Hf扩散障中Hf元素的含量为1at.％以上，其以固溶、金属间化合物和/或金属单质的形式存在。