[发明专利]具有抗氧化性和抗热-机械疲劳性能的超高温合金制品及其制备方法

说明书

本发明涉及金属基体的保护涂层，更具体地说，本发明涉及用于燃气涡轮发动机零件的富钇的铝化物涂层。

超高温合金是一类在高温下显示出令人满意的机械性能的材料。这些合金通常含有镍、钴和/或铁（单独一种元素或是几种元素组合）作为其主要成分，此外还含有一些合金化添加元素如铬、铝、钛以及高熔点金属。超高温合金在燃气涡轮发动机中已经获得了大量的应用。

对于大多数燃气涡轮中的应用来说，一个重要的问题是保护发动机零件的表面使其免于氧化和腐蚀破坏，因为这种破坏会大大缩短零件的使用寿命，引起严重的工作性能及安全上的问题。

涂层可以用来保护超高温合金零件免受氧化和腐蚀。有一类十分有名的涂层，通常称之为MCrAly涂层，式中M选自铁、镍、钴以及它们的各种组合物，这种涂层可以显著地延长燃气涡轮发动机的涡轮叶片、导向叶片等零件的使用寿命。通常把MCrAly涂层叫作覆盖涂层，这一名称的含义是，这种涂层是以合金的形式被沉积到超高温合金的表面上，并且在沉积过程中或者在零件使用过程中与基体不发生明显的相互作用。众所周知，MCrAly覆盖涂层可以采用多种方法进行涂敷，例如物理汽相沉积、溅射，或者等离子喷涂。MCrAly覆盖涂层还可以含有贵金属、铪或硅等添加元素，可以含有其中的一种或是几种的组合。它们还可以含有其它稀土元素与钇相配合或者取代钇。参看下列作为参考而引用的美国专利：3542530、3918139、3928026、3993454、4034142及（再颁专利）32121。

美国专利（再颁）32121中指出，对于保护超高温合金免于氧化和腐蚀破坏来说，MCrAly覆盖层是最有效的涂层。

在这一技术领域中，铝化物涂层由于能为超高温合金提供氧化和腐蚀防护，因而也为人们所熟知。例如，参见美国专利3544348，3961098，4070507以及4132816。

在渗铝过程中，铝与基体之间有明显的相互作用，基体的化学组成及沉积温度对涂层的化学组成、厚度及其性能有很大影响。铝化物涂层的缺点在于，在获得最佳抗氧化、抗腐蚀性能所需要的厚度上（在现有技术中一般认为是0.09毫米左右），这种涂层是脆性的，当承受燃气涡轮发动机涡轮叶片和导向叶片在服役过程中通常所受到的应力时，涂层可能开裂。这些裂纹会扩展到基体中，从而限制了超高温合金零件的结构寿命。这种开裂的倾向还导致抗氧化和抗腐蚀性能下降，这在美国专利3928026、4246323、4382976及再颁专利31339中已有阐述。

厚度低于约0.0035英寸的铝化物涂层可能具有较好的阻止开裂的能力，但是这样薄的铝化物的抗氧化性能不如MCrAly覆层。

在美国专利3873347和4080486中试图将MCrAly覆层和铝化物涂层的优点结合起来。在该专利中，采用粉末装箱法对MCrAly覆层（最好是0.075-0.13毫米厚）进行渗铝，由固体渗剂混合物向工件中扩散的铝渗入MCrAly涂层中沿径向排成直线的缺陷，更重要的是，在MCrAly涂层的外表面上形成高浓度的铝，与未经处理的MCrAly相比它改善了涂层的高温抗氧化性能。这两份美国专利指出，在实验室试验中，经过渗铝的MCrAly涂层显示出抗腐蚀性能得到改善，不过这与传统的看法多少有些不同，即铝的富聚提高抗氧化性能而不是抗腐蚀性。

按照美国专利（再颁）30995中所述，为了防止经过渗铝的MCrAly涂层开裂并从基体上剥落下来，一定不要让铝扩散到基体中，铝不允许扩散到距MCrAly/基体界面0.013毫米以内。该专利还指出，为了获得各种涂层性能的最佳组合，经过渗铝的MCrAly中铝的含量必须低于10%（重量）。

美国专利3961098中，按下述方式将MCr粉末火焰喷涂到金属基体上，即粉末粒子在碰击基体表面时基本上是不熔化的。在此之后，使铝扩散通过上述覆盖涂层，进入基体表面。实验室试验表明，渗铝工序必须按下述方式进行，即涂层中的最终铝含量低于20%（重量），否则涂层就将是脆性的并且涂层的抗氧化和抗腐蚀性能也将不符合要求。

美国专利4246323中叙述了一种使MCrAly涂层富含铝的方法。该方法是这样进行的，即铝只扩散进入MCrAly的外表面。据该专利报道，这一涂层的外层即富铝层可以抗氧化破坏，其内层即未渗铝的MCrAly具有良好的机械性能。