[发明专利]基于高温镍基合金的多层复合耐高温腐蚀涂层的制备方法

说明书

本发明属于一种耐高温腐蚀涂层制备技术，具体涉及基于高温镍基合金的多层复合耐高温腐蚀涂层的制备方法。本发明采用多元复合涂层技术，外表面采用嵌入式纳米Si₃N₄薄膜技术，具有极高的耐氧化能力，采用基板过渡层(Al‑Si)连接层(Ti₃Si(Al)C₂)梯度层(Al‑Ti‑Si‑Cr‑N)、嵌入层(纳米Si₃N₄)四层匹配层结构，通过各匹配层之间的共有原子扩散形成化学键及相互接近的热膨胀系数，使复合涂层抗热震性大幅度增强。

技术领域

本发明属于一种耐高温腐蚀涂层制备技术，具体涉及基于高温镍基合金的多层复合耐高温腐蚀涂层的制备方法。

背景技术

高温合金能在高温(一般指600℃～1100℃)具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性及塑性的合金材料。实际高温合金的应用过程中，合金的工作环境和性能要求合金既要有优异的高温力学性能，又要具备优异的抗腐蚀性能，目前随着航空发动机使用温度的升高，使用环境的日益苛刻，传统高温镍基合金已经不能满足在高温下长期的耐腐蚀性要求，而从材料自身兼容其高温力学性能及高温耐候性的研究已经达到一个瓶颈，短时间大幅度提高其耐高温腐蚀性难以实现，因而发展可靠的耐高温腐蚀涂层技术成为解决高温合金耐高温腐蚀性最重要的方法。

随着航空、航天技术的飞速进步，近三四十年来高温防护涂层技术得到迅猛发展，目前高温防腐涂层主要有以下几种：

1.金属铝化物涂层(包括改性铝化物涂层)：金属铝化物是最早使用的合金表面的防护涂层，其主要利用高温涂层表面生成的致密的氧化铝来防止高温氧化的进一步进行，同时其表面的富铝或富铬氧化物能够具有一定的高温耐腐蚀性，在650℃以下的盐雾状态下具有长期的可靠性，但其在700℃以上熔盐和盐雾状态下使用会明显出现腐蚀痕迹，同时其在高温氧化和还原气氛变化的复合环境中耐腐蚀性会大幅度降低。

2.金属硅化物涂层(包含复合金属硅化物涂层)：金属硅化物主要指难熔金属与硅生成的化合物涂层，其主要的通过高温氧化表面形成的致密的SiO₂以阻止氧化的进一步进行，同时玻璃质的涂层具有自愈合性，是良好的抗腐蚀材料，但这种涂层最大问题为硅在多数合金中扩散很快，而且硅与合金互反应易形成低熔点相和脆性相，使合金表面发生脆化，在长期的高温热冲击条件下极易发生开裂和脱落，因此使用温度相对较低。

3.多元金属合金涂层：采用两种或两种以上的合金相制备的涂层(如MCrAlY涂层)，其利用高温下多种元素氧化物的共同作用，降低合金表面的氧渗透性，提高合金表面的耐腐蚀性，是目前使用最多的高温抗氧化涂层。但其同样存在900℃以上铬氧化物挥发及高温700℃以上的强盐雾腐蚀作用。

4.贵金属涂层：通过贵金属涂层(铂、铌等)一种机械地把材料与环境相隔离的保护方法，具有极强的抗氧化性和耐腐蚀性，但其最大的问题是其高温下内扩散严重，基体元素容易扩散至表面使涂层失效。另外贵金属价格昂贵不利于大范围应用。

5.复合陶瓷基阻挡涂层：主要指陶瓷基氧化物、氮化物、硼化物的涂层或多元复合涂层，这种涂层具有很高的抗氧化性和耐盐雾腐蚀性，而且其与合金基体具有较大的扩散长度，合金基体元素不易扩散至表面发生失效。但这种阻挡涂层通常力学性能与基体差距较大，在长期热冲击的条件下很容易发生开裂和脱落。

目前航空发动机的使用温度日益升高、使用环境日渐苛刻，不仅要求高温合金使用温度达到950℃以上，而且能满足抗冷热冲击、耐高温(700℃以上)盐雾腐蚀，兼容氧化性气氛(充分燃烧)和还原性气氛(不充分燃烧)长期(100h以上)使用的要求，目前尚无一类涂层能够完全满足上述应用条件。

发明内容