[发明专利]由超合金制成的涡轮部件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种诸如涡轮叶片或分配器翅片之类的涡轮部件，该涡轮部件例如包括由单晶镍超合金制成的基底和覆盖该基底的金属子层，其特征在于，金属子层包括至少两个元素层，该至少两个元素层包括第一元素层和第二元素层，第一元素层设置在基底和第二元素层之间，每个元素层包含γ'‑Ni₃Al相以及可选地γ‑Ni相，并且第二元素层中铝的平均原子分数严格大于第一元素层中铝的平均原子分数。

技术领域

本发明涉及一种例如航空用的涡轮部件，诸如涡轮叶片或喷嘴导流叶片。

背景技术

在涡轮喷气发动机中，燃烧室产生的废气可达到1200℃，或甚至1600℃以上的高温。因此，与这些废气接触的涡轮喷气发动机部件，例如诸如涡轮叶片，必须能够在这些高温下保持其机械性能。

为此，由“超合金”制造涡轮喷气发动机的某些部件是已知的。超合金是一类高强度金属合金，其可以在相对接近其熔点(通常是其熔点的0.7至0.8倍)的温度下工作。

为了增强这些超合金的耐热性并保护它们免于氧化和腐蚀，已知用用作热障的涂层覆盖它们。

图1是涡轮部件1，例如涡轮叶片6或喷嘴导流叶片的截面示意图。部件1包括覆盖有热障10的单晶金属超合金基底2。

图2是涡轮部件1的覆盖基底的热障的一部分的截面示意图。热障包括金属粘结涂层3、保护层4和绝热层9。金属粘结涂层3覆盖金属超合金基底2。金属粘结涂层3自身被保护层4覆盖，该保护层4通过氧化金属粘结涂层3而形成。保护层4保护超合金基底免于腐蚀和/或氧化。绝热层9覆盖保护层4。绝热层可以由陶瓷，例如氧化钇稳定的氧化锆制成。

金属粘结涂层3，有时简称为“粘结涂层”，在超合金基底的表面和保护层之间提供粘结。金属粘结涂层主要有两类。

第一类金属粘结涂层包括基于简单的铝化镍β-NiAl或铂改性的铝化镍β-NiAlPt的粘结涂层。

如果是简单的铝化镍或铂改性的铝化镍(β-NiAl或β-NiAlPt)粘结涂层，则粘结涂层的铝含量(35at％至45at％)足以单独形成氧化铝(Al₂O₃)保护层以保护超合金基底免受氧化和腐蚀。

然而，当部件经受高温时，超合金基底和金属粘结涂层之间镍，尤其是铝的浓度差异会导致镍扩散到粘结涂层中，铝扩散到超合金中(一种称为“相互扩散”的现象)。

此外，铝还被消耗形成氧化铝保护层。

这些现象导致粘结涂层中的铝过早耗尽，这促使了粘结涂层中的相转变(β-NiAl→γ'-Ni₃Al，马氏体转变)。这些转变使粘结涂层中产生裂纹，并促使氧化铝层脱落。

此外，超合金的某些元素(诸如钛)或某些杂质(诸如硫)的扩散会导致氧化铝层的粘附性降低。

最后，相互扩散会导致形成次级反应区(SRZ)，其严重降低带涂层的超合金的机械性能(蠕变、疲劳)。

因此，超合金基底和粘结涂层之间的相互扩散对超合金部件的使用寿命具有负面影响。

第二类金属粘结涂层包括简单的γ-(Ni)+γ′-(Ni₃Al)粘结涂层或铂改性的γ-(Ni)+γ′-(Ni₃Al)粘结涂层。

这些粘结涂层的优点是可以限制相互扩散所带来的负面影响，从而增加带涂层的超合金的使用寿命。

实际上，这些粘结涂层的化学组成与超合金的化学组成接近，这使它们能够在高温下抵抗相互扩散现象，并限制损坏热障的表面粗糙化现象(称为起皱)。

由于其化学组成接近于超合金的化学组成，这些粘结涂层还限制了次级反应区(SRZ)的形成。