[发明专利]一种镍基高温合金用NiCrAlY涂层及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及表面涂层技术领域，特别提供了一种抗热腐蚀性能和抗高温氧化性能均优良的新型镍基高温合金用NiCrAlY涂层及其热扩散制备方法。

背景技术：

现有技术中，Ni基高温合金具有良好的蠕变性能和高温持久强度高，其广泛用于燃气轮机热端部件。为了提高其使用寿命，一般采用施加高温防护涂层等措施。

目前，MCrAlY包覆涂层是在航空发动机和燃气轮机发电机组的高温合金涡轮叶片上使用最广泛的高温防护涂层。其典型相结构为：主相为γ-Ni相，含β-NiAl相和γ′-Ni₃Al相[参见文献1：Sims CT，Stoloff NS，Hagel WC.Superalloys II.New York：Wiley；1987.]，典型成分为(Ni，Co)-(15-28wt％)Cr-(4-18wt％)Al-(0.5-0.8wt％)Y[参见文献2：Goward GW.Progress incoatings for gas turbine airfoils.Surf Coat Technol 1998；109(1-3)：73-9.]。Pratt& Whitney公司和Airco Temescal Corp于1970年提出了第一个MCrAlY涂层专利，为含10-15％Al的电子束物理气相沉积(EB-PVD)的FeCrAlY涂层[参见文献3：F.P.Talboom，J.Grafwallner，美国专利号3,542,5330(1970)]。其最大的创新之处是发现了Y可提高涂层表面氧化膜的抗剥落性能。第一个可实用的MCrAlY涂层方案是CoCrAlY涂层[参见文献4：D.J.Evans，R.C.Elam，美国专利号3,676,085(1972).]。其抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能俱佳，但较脆，引起涡轮叶片疲劳性能变坏。当时，NiCrAlY涂层也得到广泛研究。普遍认为，NiCrAlY涂层抗高温氧化性能和韧性良好，而抗热腐蚀性能不足。进一步研究促使了NiCoCrAlY涂层的发明，其韧性接近NiCrAlY涂层，抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能与CoCrAlY涂层相当。

到目前为止，MCrAlY涂层的制备方法主要是EB-PVD、磁控溅射、电弧离子镀、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂等。其中EB-PVD、磁控溅射、电弧离子镀主要用于航空发动机涡轮叶片，低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂主要用于燃气轮机发电机组。为了进一步提高MCrAlY涂层的抗热腐蚀性能，楼翰一等[参见文献5：楼翰一；王福会；白林祥。一种抗热腐蚀多元包覆涂层的制备方法.专利号93110158.1]发明了一种新制备方法，在MCrAlY涂层基础上用热扩散法再加渗一层铝，可以使原涂层在含NaCl环境中的抗热腐蚀性能提高三倍以上。叶锐曾等[参见文献6：叶锐曾；于文秀；陈仁治；马跃发；龚杰；吴显云；孙金贵；孙庆标；宋铂；杨莲隐；曹士伟；崔绍成；吕反修；许庆芳；袁建军。镍钴铬铝硅铪钇/铝梯度涂层及双靶溅射工艺。专利号93120621.9]提出一种MCrAlY/Al梯度涂层及双靶溅射工艺，得到Al浓度逐渐变化的涂层。其优点为涂层晶粒细小，静态氧化抗力高，抗热腐蚀性能好。李铁藩等[参见文献7：李铁藩；马信清；何恒；敬安晋；陈全芳；官俊波；沈嘉年；周龙江；华为刚；李美栓；殷涛；黄子勋。一种抗高温热腐蚀涂层。专利号94112517.3]提出的制备方法为Ni一稀土氧化物共电沉积，镀铬，真空热扩散处理，渗铝表面后处理工序。彭晓等[参见文献8：彭晓；杨秀英；王福会。一种热生长Cr₂O₃或Al₂O₃膜型M-Cr-Al纳米复合镀层及制备方法和应用。申请号200510046680.1]采用常规共电沉积技术复合电镀金属Ni和Cr及Al镀层，制得Ni-Cr-Al纳米复合镀层。其特点是不需要通过真空扩散处理仅根据镀层中Cr和Al的含量不同在高温下可热生长保护性的Cr₂O₃或Al₂O₃氧化膜。朱圣龙等[参见文献9：朱圣龙；谢冬柏；王福会；王世臣。一种纳米晶复合涂层及其制备方法。专利号200510046182.7]发明一种纳米晶复合涂层的制备方法：首先制备一层普通MCrAlY涂层，然后在其上制备与前者同成分的纳米晶涂层。其优点是大幅降低了制备纳米晶涂层的成本，简化了制备过程，保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时更好的保证了涂层的使用质量和使用寿命。孙超等[参见文献10：孙超；武颖娜；王启民；柯培玲；王福会；华伟刚；肖金泉；宫骏；闻立时。一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀涂层及其制备方法。专利号03111363.X]采用电弧离子镀技术制备一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀高温防护涂层。孙超等[参见文献11：孙超；鲍泽斌；王启民；李伟洲；宫骏；华伟刚；肖金泉；刘山川；熊天英。一种共沉积梯度MCrAlY涂层及制备工艺。申请号200710011432.2]通过电弧离子镀共沉积加真空扩散退火的方法，制备Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布的MCrAlY涂层，提高了涂层中Al存储相含量，从而可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。泰勒等[参见文献12：T·A·泰勒；小·R·C·塔克；D·F·贝特里奇。具有良好耐腐蚀性和抗氧化性的涂层组合物。专利号94118165.0]在涂层中添加了Re和/或Pt。