[发明专利]一种高温抗氧化钴基涂层材料及其制备方法

说明书

本发明涉及热障涂层及激光增材制造技术领域，具体的说是高温抗氧化钴基涂层材料及其制备方法。本发明通过调整钴基涂层粉末中的HfH₂含量的合理比例，结合激光熔敷的方法在GH586基体上制备钴基涂层。所得试样在1100℃高温氧化100h后表面可形成一层连续致密的Cr₂O₃氧化膜，且氧化膜的厚度大约为6～7um，将GH586的工作温度提高到了1100℃；故而本发明所制得的钴基涂层可作为热障涂层的粘结层使用。

技术领域

本发明涉及热障涂层及激光增材制造技术领域，具体地说是高温抗氧化钴基涂层材料及其制备方法。

背景技术

为了应对先进燃气涡轮发动机大推力、高效率、低油耗和长寿命的发展趋势，兼具能有效降低金属表面温度和良好的高温防护性能双重功效的热障涂层，已成为现代工业制造技术领域中的研究热点。

典型的热战涂层是由陶瓷面层和金属粘结层(Bond Coating BC)组成的双层结构涂层系统。陶瓷面层通常采用6％～8％氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)来降低金属或合金表面的使用温度，其通常借助中间起高温防护作用的金属粘结层实现与基体的连接。金属粘结层的主要作用包括两个方面：(1)缓解陶瓷面层和基体的热膨胀不匹配。(2)提高基体的高温防护性能(包括抗高温氧化、抗热盐腐蚀和抗热震性能等)。常用金属粘结层的合金体系有FeCrAlY，NiCrAlY，CoCrAlY，NiCoCrAlY等几种。这些涂层若要在高温下具有高温防护性能，必须能够形成致密的Al₂O₃膜或Cr₂O₃膜。一般认为，Al₂O₃膜比Cr₂O₃膜具有更优异的抗氧化能力。但是，Al₂O₃膜对于熔融态硫酸盐的防护性能极差，特别是当有铝的硫化物形成时涂层的氧化速度反而会更快，而Cr₂O₃膜对于熔融态硫酸盐具有很好的防护效果。工业燃气涡轮发动机服役过程中，硫酸盐不仅是不可避免的而且是主要的热腐蚀源之一，所以作为热障涂层金属粘结层的涂层应以Cr₂O₃膜作为保护性氧化膜。

目前，被业界公认的热障涂层剥落的根本原因是在金属粘结层与陶瓷面层之间的热生长氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)。在热循环条件下，TGO内部以及TGO/BC或TGO/YPSZ的界面均是应力集中并可能发生剥落的部位。同时，在熔盐作用下的BC层热氧化更趋严重。因此可以说，BC层的氧化行为是决定热障涂层失效的内因，包括TGO的生长速度、成分、形貌、完整性、与基体的结合力和剥落行为等；而热循环过程中产生的应力是决定热障涂层失效的外因，包括TGO的热生长应力和相变应力、温度梯度分布引起的热应力、热膨胀不匹配引起的热应力等。换句话说，BC层的氧化行为是影响热障涂层服役性能和使用寿命的主要原因。

目前，先进燃气涡轮发动机的涡轮进口温度已超过1650℃，通过气动冷却系统的设计可获得350℃左右的冷却效果，热障涂层系统中陶瓷面层能够隔热150～300℃，也就是粘结层的服役温度已超过1000℃。重所周知，Cr₂O₃膜在1000℃以下具有较好的高温防护性能。而在1000℃以上高氧分压下还会变得不稳定，极易进一步被氧化生成易挥发的CrO₃，也会影响到其高温防护性能。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种产品综合性能良好、生产成本低、方法简单，可适合于工业化生产的粘结层涂层材料。

本发明的目的之二是提供一种综合性能良好的粘结层的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：