[發明專利]Pt改性的熱障涂層及其制備方法

無效

• 申請號: 201210078633.5
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102615914A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 付超;操光輝
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B32B33/00
• 分類號: B32B33/00;B32B15/04;B32B18/00;C23C4/12;C23C4/10;C23C10/48;C23C28/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

?????本發明涉及一種在鎳基高溫合金表面制備Pt改性的Ni₃Al+NiAl新型熱障涂層及其制備方法，屬于新材料制備及表面改性技術領域。

技術背景

????現代航空燃氣渦輪發動機向著大推力、高效率、低油耗以及長壽命的趨勢發展，使得渦輪發動機葉片的進氣溫度不斷提高。目前，推重比達到15以上的發動機的渦輪進口溫度高達2000℃以上，這就要求渦輪葉片和導向葉片能夠在1400???????????????????????????????????????????????以上長期穩定工作。為了滿足這一要求，目前已經開發出了五代高溫合金，但是由于受到高溫合金自身熔點的限制，進一步提高高溫合金工作溫度的空間已經十分有限。因此，尋求新的冷卻技術和在高溫合金表面制備一種既耐高溫又抗氧化的熱障涂層，來降低高溫合金表面的溫度以及防止高溫合金氧化，成為一種行之有效的新技術。目前，采用隔熱層厚度為150300?的熱障涂層并采用冷卻技術，可以使渦輪葉片表面的溫度降低150℃左右。研究表明，渦輪葉片表面的溫度每降低15，葉片的蠕變壽命就可以延長一倍。

???熱障涂層（Thermal?barrier?coatings，TBCs）一般采用雙層結構，即表層的陶瓷層和中間的粘結層。其中陶瓷層一般為78wt%?Y₂O₃穩定的ZrO₂陶瓷（YSZ），一般通過大氣等離子噴涂（Air?plasma?spraying，APS）或者電子束物理氣相沉積（Electron?beam-physical?vapor?deposition，EB-PVD）的方法附著在粘結層表面。陶瓷層具有較低的熱導率，主要起隔熱作用，并且在高溫環境中穩定性好，同時陶瓷層內部存在大量的空隙，因此具有較大的氧擴散系數，特別是通過電子束物理氣相沉積制備的陶瓷層，其結構為柱狀晶組織，各個柱狀晶之間存在大量的空隙，氧的擴散能力更強。因此，這就要求粘結層一方面要改善高溫合金基體與陶瓷層的熱膨脹系數的不相匹配，另一方面還必須具有非常好的抗氧化性能，才能保證高溫合金基體不被氧化，從而提高高溫合金的穩定性，增加其使用壽命。

????粘結層的抗氧化機理是通過在高溫氧化氣氛中生成一層致密、連續的熱生長氧化物（Thermally?grown?oxide，簡稱TGO），以阻止環境中的氧進一步向高溫合金擴散，從而保護高溫合金基體不被氧化，起到保護基體的作用。

????粘結層材料一般為MCrAlY（M是過渡金屬Ni、Co或者Ni+Co）、β-NiAl等。這些涂層由于鋁含量高，在高溫氧化環境中生成致密的、連續的α-Al₂O₃層，能夠阻止氧進一步向高溫合金內部擴散，因此具有很好的抗氧化性能。

????熱障涂層的使用壽命與熱生長氧化層的生長速度、結構形式、組成成分以及陶瓷層和粘結層界面的形態、應力分布有關系。目前熱障涂層的失效主要表現為熱生長氧化層附近的氧化鋯陶瓷發生脫落。研究表明，熱生長氧化層與陶瓷層界面存在顯著的不連續性，包括成分的不連續和熱膨脹系數的不連續，因此熱生長氧化層與陶瓷層之間存在殘余應力。隨著熱生長氧化層厚度不斷增加，殘余應力也會不斷增加，同時也會導致粘結層中形成鋁元素貧化區，引起該區域鎳等元素的選擇性氧化，進一步增加了粘結層與陶瓷層之間的應力，最終導致涂層失效。因此，對粘結層進行改性，控制熱生長氧化層的生成速度，以及保證熱生長氧化層成分的連續性、完整性，對提高高溫合金的使用壽命具有重要意義。

????傳統的粘結層材料為MCrAlY和鉑改性的β-NiAl涂層，這兩種涂層由于鋁含量高，在高溫氧化環境中能夠生成致密的α-Al₂O₃層，不過由于與高溫合金基體的鋁含量相差大，高溫條件下會引起粘結層中的鋁向基體擴散，發生β-NiAl?→γ′-Ni₃Al的相變，這降低了粘結層與高溫合金基體的粘結性。因此，在單一粘結層涂層的基礎上研究出多層結構涂層，以解決粘結層與高溫合金基體之間由于鋁含量相差大而引起的粘結層不穩定等問題。

????在高溫條件下，粘結層中的鉑能夠阻礙鋁原子向基體擴散，抑制粘結層中可能發生的β-NiAl?→γ′-Ni₃Al相變，并且使涂層與基體之間出現“釘扎效應”，提高涂層與基體的結合強度，極大地提高了高溫合金的抗高溫氧化性能。

發明內容