[发明专利]抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法

说明书

本发明针对单晶合金叶片的各向异性和不同级别燃机单晶叶片以及叶片不同位置的运行温度分布特点，提供了一种通过单晶合金二次枝晶取向分布和表面再结晶控制技术改善抗热腐蚀单晶合金与MCrAlY涂层界面稳定性的方法，具体为根据燃机叶片服役温度条件制备特殊二次取向的单晶叶片：900℃热暴露条件下，选取(100)取向为择优二次取向；1000℃热暴露条件下，选取(210)取向为择优二次取向。同时调整叶片表面喷砂处理参数，可以减小表面塑性变形量和再结晶层厚度，从而进一步改善单晶合金与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性。

技术领域

本发明属于单晶合金涡轮叶片制备领域，涉及抗热腐蚀单晶合金燃机叶片表面涂层制备领域。

背景技术

镍基单晶高温合金由于具有优良的高温力学性能，被广泛应用于制造先进航空发动机和燃气轮机的单晶涡轮叶片。燃气轮机单晶涡轮叶片在苛刻的服役条件下，不仅要求其具有优良的高温力学性能，同时还要抵抗高温氧化和热腐蚀的破坏。因此，采用涂层/单晶高温合金结构，是同时满足以上两种性能要求的主要途径之一。MCrAlY型防护涂层除了被用作包覆涂层外，还常用于燃气轮机涡轮叶片热障涂层体系(TBC)中的粘结层，不仅起到抗氧化与抗热腐蚀防护作用，而且起到改善合金基体与热障涂层相容性的粘结过渡作用。

由于MCrAlY型涂层与高温合金基体之间存在元素浓度差异，在高温服役过程中发生互扩散，导致在涂层/合金基体界面形成互扩散区(IDZ)，并在IDZ下方形成二次反应区(SRZ)，SRZ的形成会降低基体与金属粘结层之间的结合力。对热障涂层系统而言，SRZ的形成是非常不利的。此外，SRZ中析出的拓扑密堆相(TCP相)，消耗了基体内大量的抗热腐蚀元素(Cr元素)及固溶强化元素(如Mo、W和Re等)，并且SRZ的形成缩减了合金的有效承载面积。另一方面，TCP相本身韧性较低，在高温承载时TCP相与γ′/γ之间产生大量的微裂纹，导致合金基体的力学性能显著降低，特别是对高温疲劳和蠕变性能产生非常不利的影响。

影响MCrAlY型涂层与高温合金基体界面稳定性的最直接因素为涂层和合金基体的成分。随着先进燃机效率和进气温度的不断提升，要求单晶合金的高温力学强度不断提高，合金中W、Mo、Ta和Re等难熔元素的含量不断增加，因此加大了合金中σ、μ、P和R等TCP有害相的析出倾向。同时，为了提高MCrAlY型涂层的抗氧化和抗热腐蚀性能，涂层中的Cr、Al元素必须保持在一定的含量水平。而合金与涂层成分差异越大，则界面稳定性越差。因此，在工程应用中，亟需开发出单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制技术。

发明内容

本发明针对单晶合金叶片的各向异性和不同级别燃机(如F级、G/H级和J级)单晶叶片以及叶片不同位置的运行温度分布特点，提供了一种通过单晶合金二次枝晶取向分布和表面再结晶控制技术改善抗热腐蚀单晶合金与MCrAlY涂层界面稳定性的方法。

本发明技术方案如下：

一种抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于，根据燃机叶片服役温度条件制备特殊二次取向的单晶叶片，从而改善单晶合金叶片与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性：

900℃热暴露条件下，选取(100)取向为择优二次取向；

1000℃热暴露条件下，选取(210)取向为择优二次取向。

本发明所述抗热腐蚀单晶合金燃机叶片与MCrAlY涂层界面稳定性控制方法，其特征在于：在制备MCrAlY涂层前，对样品表面进行表面喷砂处理。通过调整涂层前的喷砂参数，减小表面塑性变形量和再结晶层厚度，可以进一步改善900℃-1000℃条件下单晶合金与MCrAlY涂层长时服役界面稳定性，具体工艺参数为：

压力：0.1-1.0MPa

角度：60-90°

持续时间：10-30s

砂粒：100-200mesh刚玉。