[发明专利]一种燃气轮机叶片复合涂层

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机叶片复合涂层，可用做燃气轮机静叶片和动叶片的抗高温氧化包覆涂层或者热障涂层的粘结层，能够提高高温合金叶片的抗高温氧化性能。

背景技术

我国经济快速发展对于电力的需求不断增加，但现在大量使用的燃煤蒸汽轮机存在效率低并且高污染等一系列问题。近几年不断恶化的环境污染特别是日益严重的雾霾天气，使得用高效联合循环燃气轮机替代传统蒸汽轮机变得更为迫切。而作为燃气轮机核心部件的叶片通常需要工作在高温高应力环境下，所以用来制造燃机叶片的高温合金材料需要具有高的抗高温蠕变等优异高温力学性能，同时又具有出色的抗高温腐蚀(氧化)性能。然而，为了提高材料的高温力学强度，往往需要在合金中添加钨、钼、钒等固溶强化型合金元素，同时减少铝等抗高温腐蚀的元素材料，因此很难制备出同时具有高的高温力学性能和抗高温腐蚀的合金材料。作为解决办法，在高温合金表面可以制备抗高温氧化腐蚀的涂层用以保护具有优秀高温力学性能的高温合金基体材料。

目前用于燃气轮机叶片高温氧化保护的涂层主要是MCrAlY包覆涂层，或者是以MCrAlY作为粘结层的热障涂层体系。MCrAlY在高温下可以在表面形成Cr₂O₃、Al₂O₃等多种氧化物构成的薄膜，从而阻挡氧和金属离子的扩散，起到延缓和保护高温合金基体材料高温氧化的作用。然而，由于形成的氧化物薄膜由多种氧化物组成，导致氧化物薄膜不够致密甚至不连续，从而不能非常有效的阻挡氧和金属离子的扩散。而氧和金属离子的扩散会引起MCrAlY中Al的缺失，会引起涂层从富铝的β相(NiAl)到γ’相(Ni₃Al)和镍基γ相的相变，这将进一步引起MCrAlY层产生褶皱状分布，加速其上面喷涂的热障涂层的剥离和失效。

针对MCrAlY复合氧化物薄膜不够致密的问题，发展出来通过溅射等方法制备纳米晶涂层作为燃气轮机叶片高温氧化保护的涂层，由于涂层的晶粒小于1微米，所以大量的晶界为铝和氧提供了快速扩散的通道和形核中心，所以可以在很短的时间内在纳米晶层的表面形成一层连续致密的单一α-Al₂O₃膜，可以更好的阻挡后续氧和金属离子的扩散。然而，因为纳米晶层在表面形成氧化铝膜时会引起铝元素的缺失，从而影响纳米晶层的结构稳定性。另外，如果表面α-Al₂O₃膜被破坏，也缺乏足够的铝元素再次形成氧化膜保护层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有很好的高温氧化保护性能且可避免热障涂层过早剥离和失效的燃气轮机叶片复合涂层。

本发明的上述目的通过以下的技术措施来实现：一种燃气轮机叶片复合涂层，其特征在于：包括依次涂覆在作为高温合金基体的燃气轮机叶片上的MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层。

本发明MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层均为现有技术。MCrAlY层：M指Ni或Co或NiCo的组合，一般成分范围(质量百分数)：M(10～30Cr)(5～15Al)(0.5～1Y)，剩余为Ni或Co或NiCo组合；NiAl层成分(质量百分数)：Ni50Al；纳米晶层的成分和基体高温合金的成分一致。

本发明纳米晶层比常规MCrAlY层具有更好的抗高温氧化能力，并且处于中间位置的NiAl层作为Al的储备层，可以为MCrAlY层和纳米晶层提供额外的Al元素，避免纳米晶层由于形成氧化铝膜引起的铝元素缺失，同时也可以防止由于MCrAlY层因为氧和金属离子的扩散引起的相变和导致的热障涂层脱落。

本发明所述MCrAlY层的厚度为100～200微米。

作为本发明的一种实施方式，所述MCrAlY层通过在高温合金基体表面进行低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂制备得到。

本发明所述NiAl层的厚度为20～50微米。

作为本发明的一种实施方式，所述纳米晶层的成分与高温合金基体的成分相同，所述纳米晶层通过在NiAl层上由溅射工艺制备得到，纳米晶层的表面可形成单一致密的α-Al₂O₃膜，能够保护下面的MCrAlY层和高温合金基体免于高温氧化。

本发明所述纳米晶层的厚度是20～50微米。

作为本发明的一种改进，在所述纳米晶层的表面上涂覆热障涂层，即由所述MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层构成的复合涂层作为热障涂层的粘结层。用以提高热障涂层的粘结力并提高叶片的抗高温氧化性能。