[发明专利]一种复合粘结层材料及其采用电镀与电子束物理气相沉积组合制备复合粘结层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备热障涂层中粘结层的方法，更特别地说，是指一种采用电镀与电子束物理气相沉积两种方法进行组合制备具有RuAl和NiAlHf双层结构的阻扩散粘结层的制备方法。

背景技术

先进燃气涡轮发动机的发展要求涡轮叶片和导向叶片在1500℃～1600℃下长期工作。为了适应这种恶劣的的工作环境，满足航空发动机的发展需要，热障涂层(Thermal Barrier Coatings)作为一种表面热防护技术，于二十世纪六十年代发展起来。

热障涂层结构主要由陶瓷层和粘结层构成(参见图5所示)，粘结层位于基体与陶瓷层之间。陶瓷层作为隔热顶层，主要起到隔热的作用。粘结层主要是缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配，以及高温合金基体抗氧化性能差的问题。在基体上制备热障涂层主要是提高基体的抗氧化性。在热障涂层结构体系中，粘结层和基体之间的互扩散是一个较为严重的问题。特别是新一代的含Re和Ru的单晶超高温合金，它的Re和Ru会从基体向外扩散，Al会从粘结层向基体里扩散，从而形成第二反应区(SRZ)，这都严重降低了超高温合金基体的机械性能，特别是抗蠕变性能大幅度下降。另外，由于元素的互扩散还会产生有害的TCP相。

传统的粘结层材料通常选用MCrAlY系合金(M一般为Ni、Co或者Ni+Co)，它只能在低于1150℃的环境中使用。Ni₅₀Al₅₀的熔点T_m为1638℃，有较低的密度5.9g/cm³、较高的杨氏模量240GPa，因此Ni₅₀Al₅₀长期以来作为高温结构器件的备选材料而得到广泛关注。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有抗1200℃高温氧化、阻扩散双重功能耦合的复合粘结层材料。

本发明的另一目的是提出一种采用电镀与电子束物理气相沉积组合制备复合粘结层的方法，该组合制备方法首先采用电镀工艺在基体上电镀一层Ru，然后采用电子束物理气相沉积法沉积一层Al含量呈梯度变化的NiAlHf层，且所述NiAlHf层由下接合层、中间层、上接合层构成，最后进行真空热处理，使NiAlHf层的下接合层中的Al渗入Ru层中形成RuAl层。这样制得的具有RuAl层和NiAlHf层的双结构的复合粘结层中每层都具有B2晶体结构，有效地提高了Ni基高温合金的抗氧化性，阻挡了粘结层与基体之间各元素的互扩散，抑制了SRZ相和TCP相的产生，是一种新型的热障涂层粘结层材料。

本发明公开一种适于作为热障涂层中的粘结层的材料，该粘结层具有四层结构，称作复合粘结层。所述复合粘结层由RuAl层和NiAlHf层构成；

所述RuAl层中Al含量为30at％～50at％，余量为Ru；

所述NiAlHf层由下接合层、中间层和上接合层组成；

所述下接合层中的Al含量为70～90at％，Hf含量为0.5～3at％，余量为Ni；

所述中间层中Al含量连续减少，从70～90at％减少至40～50at％，Hf含量为0.5～3at％，余量为Ni；

所述上接合层中的Al含量为40～50at％，Hf含量为0.5～3at％，余量为Ni。

本发明复合粘结层中Al含量具有四个层次的变化，故也称作Al含量在复合粘结层中呈梯度变化。

要制得所述RuAl层和NiAlHf层的复合粘结层，本发明采用了电镀与电子束物理气相沉积两种工艺组合进行制备复合粘结层，该组合工艺包括有下列步骤：

第一步，基体预处理

(A)用150#、400#、800#的SiC水磨砂纸将基体打磨，使基体表面粗糙度Ra＜0.8；

(B)将经(A)步骤处理后的基体放入60～70℃的碱性清洗液中超声2～5min后，用去离子水冲洗2～3次，获得第一基体；

所述碱性清洗液由NaOH、Na₂CO₃、Na₃PO₄和去离子水组成，用量为1L的去离子水中添加10～30g的NaOH、10～30g的Na₂CO₃和10～30g的Na₃PO₄；

(C)将经(B)步骤处理获得的第一基体放入浓度为5％的HCl中活化20～60s后，用去离子水冲洗2～3次，获得第二基体；

在本发明中，基体为Ni基高温合金或者是Ni基单晶高温合金；

第二步，电镀Ru层