[发明专利]一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型热障涂层粘结层材料及其制备方法，更具体的是指用电镀和电子束物理气相沉积的方法制备一种适用于镍基单晶高温合金、1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl涂层。

背景技术

热障涂层由于具有优良的隔热、耐高温、抗氧化腐蚀以及抗磨损等性能，已应用于燃气涡轮机、航空发动机的镍基单晶高温合金叶片的表面起到隔热保护的作用。实际应用的涡轮叶片热障涂层典型结构采取双层结构,即陶瓷层与金属粘结层。粘结层是为了缓解陶瓷层和合金基体的热不匹配,同时为了提高基体的抗高温氧化腐蚀性能。新一代航空发动机先进单晶高温合金对超高温长寿命的热障涂层具有迫切的要求，因此，研究新型热障涂层材料以提高热障涂层的寿命尤为重要。由于粘结层成分对氧化层的生长速度、成分、完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用,而这些因素直接影响着热障涂层的寿命,所以粘结层成分的优化和选择对于提高热障涂层的寿命非常关键。

NiAl是一种长程有序的金属间化合物，由于金属键和共价键共存的特性，Ni₅₀Al₅₀的熔点T_m为1638℃，具有制备超高温热障涂层粘结层的先决条件。此外Ni₅₀Al₅₀有较低的密度（5.9g/cm³）、较高的杨氏模量（240GPa），因此长期以来作为高温结构器件的备选材料而得到广泛关注。NiAl具有优良抗高温氧化性能，其抗高温氧化性能主要基于能够形成具有低生长速率的单一完整的α-Al₂O₃氧化膜。但NiAl直接作为粘结层有一些缺点，NiAl涂层在高温氧化时形成大量空洞，空洞在金属和氧化膜界面限制了金属与膜的接触，界面空洞是影响粘附性的重要因素。因此需要对NiAl涂层进行改性，制备一种新型热障涂层粘结层材料。

J.A.Haynes,B.A.Pint等人研究发现通过Pt改性可以有效减少NiAl涂层界面空洞，显著提高NiAl涂层的粘结性，Pt的添加量为6-8at.%时，便可起到很好的作用（见参考文献1：J.A.Haynes,B.A.Pint,K.L.More,Y.Zhang,I.G.Wright,Oxid.Met.58(2002)513）。B.A.Pint,I.G.Wright等人研究发现NiAl涂层中掺杂微量的，Hf、Zr显著提高了涂层的粘结性，且氧化增重很少（见参考文献2：B.A.Pint,I.G.Wright,W.Y.Lee,Y.Zhang,K.B.Alexander.Mat.Sci.&Eng.1998,245A:201–211）。

发明内容

本发明提供一种新型热障涂层粘结层材料及其制备方法，更具体的是指利用电镀和电子束物理气相沉积的方法制备一种适用于镍基单晶高温合金、1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层。首先利用电镀或电子束物理气相沉积的方法在镍基单晶高温合金基体上制备一层厚度5～10μm的Pt层，然后利用电子束物理气相沉积方法在Pt层上面沉积一层20～60μm NiAlHfZr涂层。利用电镀或电子束物理气相沉积一层Pt减少了界面孔洞，有效的提高了氧化膜的粘附性；Hf、Zr二元掺杂使NiAl涂层表面更加平整致密，在氧化过程中涂层表面生成的氧化膜更加平直，尤其氧化增重很少，极大的提高了涂层的抗氧化性能，这种新型的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层的抗高温氧化性能远高于普通的NiAl系涂层，在1200℃空气中完全抗氧化，经过二元活性元素Hf、Zr掺杂并且Pt改性后对涂层使用寿命的提高起到了一定的促进作用。

本发明提供的热障涂层粘结层材料中，Pt层的厚度为5～10μm，NiAlHfZr层的厚度为20～60μm。在NiAlHfZr层中，Al含量为40～55at%，Hf含量为0.025～1.00at%，Zr含量为0.025～1.00at%，余量为Ni。

要制得所述的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层，本发明采用电镀和电子束物理气相沉积的方法制备，该制备方法包括有下列步骤：

第一步：准备基体材料