[发明专利]一种适用于单晶镍基高温合金叶片的高温防护涂层材料

说明书

本发明提供了一种适用于单晶镍基高温合金叶片的高温防护涂层材料，所述高温防护涂层材料的化学成分为1.5～10.0wt.％Cr，3.0～12.0wt.％Co，8.0～12.0wt.％Al，0～3.0wt.％Re，0～6.0wt.％W，0～2.0wt.％Mo，0.5～7.0wt.％Ta，0.01～0.2wt.％Hf，0.1～0.3wt.％Y，余量Ni；所述高温防护涂层材料在1050℃下相平衡组织为γ'相。采用所述高温防护涂层材料制备出的涂层的高温氧化性能优于MCrAlY(M＝Ni，Co，或NiCo)和β‑NiAl涂层，与NiPtAl涂层相当，涂层‑基体之间形成冶金结合，但不会像MCrAlY涂层、β‑NiAl涂层和NiPtAl涂层那样与单晶基体形成二次反应区，从而避免了涂层损害单晶基体力学性能问题。采用所述材料制备出的涂层可用作独立的抗高温耐腐蚀涂层使用，也可用作热障涂层粘结层，制备的热障涂层抗热冲击寿命优于NiPtAl/YSZ热障涂层。

技术领域

本发明属于高温防护涂层领域，特别提供一种适用于单晶镍基高温合金叶片的高温防护涂层材料。

背景技术

燃气涡轮发动机是先进飞机、高速舰船、高效洁净电站的核心，单晶叶片、高效冷却、热障涂层则并称为燃气涡轮发动机的三大关键技术。热障涂层主要由两部分构成，外层为低热导陶瓷层，内层为金属粘结层。其中，陶瓷层的作用是降低叶片温度，金属粘结层能在高温下生成保护性氧化膜，从而保护内部合金材料。传统的金属粘结层主要包括扩散涂层和MCrAlY包覆涂层(M＝Ni，Co，或NiCo)。扩散涂层和包覆涂层为β-NiAl相或以β-NiAl相为主的多相，抗氧化性能优异。镍基高温合金为γ-Ni/γ'-Ni₃Al两相组织，具有良好的高温力学性能。由于涂层的化学成分和微观组织与镍基高温合金基体差异很大，高温服役过程中涂层/基体之间会发生互扩散。互扩散不仅会加速涂层中抗氧化元素的损耗，缩短涂层服役寿命；而且还可能降低高温合金的力学性能。对于使用温度达到1050℃或更高的单晶镍基高温合金，互扩散尤为严重，可在短时间内形成二次反应区和再结晶，使合金的高温持久断裂寿命和疲劳寿命下降超过50％，严重影响零件可靠性和耐久性。因此，迫切需要发明能有效控制涂层-基体互扩散行为的新型高温防护涂层材料。

β-NiAl相高温涂层与γ/γ'相单晶镍基高温合金基体间互扩散导致合金表面形成二次反应区的主要原因是基体中的Al含量增加和Ni含量降低，使基体由γ/γ'两相区先向γ/γ'/TCP三相区移动，再向γ'/TCP两相区移动。在相区移动过程中，γ相逐渐转变为γ'/TCP，TCP相呈针状分布于基体中。

采用γ'-Ni₃Al涂层可以降低涂层-镍基高温合金基体之间的化学成分差异，从而降低涂层-基体互扩散驱动力，避免互扩散对基体力学性能的影响。但纯γ'-Ni₃Al不能形成单一的氧化铝保护膜，抗氧化性能不如MCrAlY涂层、β-NiAl涂层和NiPtAl涂层等能形成单一的氧化铝保护膜的传统高温防护涂层材料。

发明内容

本发明提供了一种适用于单晶镍基高温合金叶片的高温防护涂层材料及其应用，采用所述高温防护涂层材料制备的涂层，适用于单晶镍基高温合金叶片，抗高温氧化性能与NiPtAl涂层相当，且可显著减缓涂层与基体间元素互扩散行为，避免单晶基体中形成损害力学性能的二次反应区，可用作独立的抗高温耐腐蚀涂层，也可用作热障涂层粘结层，涂层的厚度优选为20-200μm。

本发明的技术方案如下：

一种高温防护涂层材料，其特征在于，该高温防护涂层材料的化学成分为：1.5～10.0wt.％Cr，3.0～12.0wt.％Co，8.0～12.0wt.％Al，0～3.0wt.％Re，0～6.0wt.％W，0～2.0wt.％Mo，0.5～7.0wt.％Ta，0.01～0.2wt.％Hf，0.1～0.3wt.％Y，余量Ni。

本发明所述高温防护涂层材料，其特征在于：该高温防护涂层材料在1050℃下相平衡组织为γ'相。