[發明專利]在基于硅和鈮的難熔復合材料上形成抵抗高溫氧化的防護性涂層的方法

有效

• 申請號: 201110419181.8
• 申請日: 2011-09-29
• 公開（公告）號: CN102443757A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: M-P·巴科;P·若索
• 申請（專利權）人: 國家航空與空間研究事務局
• 主分類號: C23C10/26
• 分類號: C23C10/26;C23C26/00;C23F17/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李躍龍

技術領域

本發明涉及一種在基于硅和鈮的難熔復合材料的表面上形成抵抗高溫氧化的防護性涂層的方法。本發明還涉及復合材料部件，特別為航空發動機部件，其使用上述方法進行防護。?

背景技術

用于航空發動機渦輪的材料的機械強度和抗氧化性限制了發動機的性能水平。最近的研究表明，對于渦輪機葉片，壁溫通常達到1050-1100℃，而使用的金屬合金組合物(鎳基超合金)和生產方法的優化，部件內部冷卻線路的改善和使用熱絕緣涂層不允許達到約1300℃的預期壁溫。一種預想用于在這樣的溫度下工作的方法是使用由兩種高度難熔相組成的復合材料，其中一種相是金屬Mss(Mss是指固溶體形式的相，M是與多種元素例如Si、Ti、Cr、Hf、Al等合金化的Nb基合金)，該相賦予材料在環境溫度下的足夠抵抗性，另一種相是金屬間化合物M₅Si₃，它在高溫下提供所需的強度和抗蠕變性。這些材料在下文中稱為“Nb-Si型復合材料”。這些是本發明所涉及的材料。?

還預想通過替換目前使用中的葉片將這些Nb-Si型復合材料在中溫(700-1000℃)下用于低壓渦輪，所述葉片是由密度為7.75-8.6的鎳基超合金鑄造而成。使用這些密度為6.6-7.2的Nb-Si型材料允許結構變得更輕，這例如對于駕駛員是重要的關鍵因素。?

然而，它們因其對于中溫或高溫下的氧化的抵抗性低而發展緩慢，盡管將大量“有益”元素加到它們的初始組成(Hf、Si、Cr、B、C、Zr、Ti和Al)中。當使這種材料經受燃氣輪機的工作條件時，其根據使用的等級會在幾分鐘到數十小時的時間內因氧化而被破壞。?

看來，通常高于800℃的氧氣滲透入金屬相中從而首先氧化它們，初始留下下硅化物相(M₅Si₃)基本不受腐蝕。界面和晶粒的接合有助于氧擴散。然后，?M₅Si₃相又變為氧化物。?

另一個問題在于，在低溫下，典型在500-800℃之間，由于在金屬相Mss中極低的擴散動力學，這類材料不能快速產生防護性氧化物層。這導致M₅Si₃相的優先氧化，其形成脆性的非防護性氧化物，該氧化物導致這些相的破壞，并逐漸導致材料的破壞。這類氧化被稱為“疫病效應(plague?effect)”。?

目前已經提出用于防護該族合金的方案。例如，在專利US?4904546(M.R.Jackson，27/02/1990)中，提出通過等離子體投射類型的物理沉積方法形成基于釕的防護，相應于下式：?

(Ru_{從(19-x)到(34-x)}(∑Fe+Ni+Co)_xAl_從22到28Cr_{從(5.6-y)到(44-y)}Fe_y

優選的組成：Cr₅₅Al₂₀Ru₁₄Fe₁₁。?

同一申請人的專利US?4980244教導了該涂層的變體，其中添加有0.2原子％的釔來替代釕。除了施加這種涂層的困難之外，還應注意，越來越嚴重的資源短缺使得選擇釕并不可維持。?

在另一專利US?5019334中，M.R.Jackson提出使用化合物MCrAlY(其中M＝Ni、Co和/或Fe)作為防護性涂層用于這些合金，并通過添加氧化鋁到涂層而適應于熱膨脹差。任選地，使用上述的合金RuCrAl。?

由M.R.Jackson等在US?5932033中提出的另一方案包括增加材料對高溫下氧化的固有抵抗性(得益于增加鉻含量)。隨后，在該復合材料中形成抵抗氧化的新添加相，也就是Laves相，其組成為Cr₂M(其中M＝Nb+Ti+Hf)。在該方法中描述的材料以其存在的狀態或作為涂層來使用。在專利US?6419765中教導該材料的另一變體。假設使這兩種材料在無涂層的情況下在1400-1600℉(745-856℃)溫度預工作至少100小時。然而，已知Laves相非常脆。?