[發明專利]一種1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素摻雜的PtNiAl粘結層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410143806.6
• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103966615A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 郭洪波;賈芳;彭徽;宮聲凱;徐惠彬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23F17/00
• 分類號: C23F17/00;C23C14/30;C21D1/773;C22C19/03;C22C21/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明涉及一種新型熱障涂層粘結層材料及其制備方法，更具體的是指用電鍍和電子束物理氣相沉積的方法制備一種適用于鎳基單晶高溫合金、1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素摻雜的PtNiAl涂層。

背景技術

熱障涂層由于具有優良的隔熱、耐高溫、抗氧化腐蝕以及抗磨損等性能，已應用于燃氣渦輪機、航空發動機的鎳基單晶高溫合金葉片的表面起到隔熱保護的作用。實際應用的渦輪葉片熱障涂層典型結構采取雙層結構,即陶瓷層與金屬粘結層。粘結層是為了緩解陶瓷層和合金基體的熱不匹配,同時為了提高基體的抗高溫氧化腐蝕性能。新一代航空發動機先進單晶高溫合金對超高溫長壽命的熱障涂層具有迫切的要求，因此，研究新型熱障涂層材料以提高熱障涂層的壽命尤為重要。由于粘結層成分對氧化層的生長速度、成分、完整性以及與基體的結合力等因素有決定作用,而這些因素直接影響著熱障涂層的壽命,所以粘結層成分的優化和選擇對于提高熱障涂層的壽命非常關鍵。

NiAl是一種長程有序的金屬間化合物，由于金屬鍵和共價鍵共存的特性，Ni₅₀Al₅₀的熔點T_m為1638℃，具有制備超高溫熱障涂層粘結層的先決條件。此外Ni₅₀Al₅₀有較低的密度（5.9g/cm³）、較高的楊氏模量（240GPa），因此長期以來作為高溫結構器件的備選材料而得到廣泛關注。NiAl具有優良抗高溫氧化性能，其抗高溫氧化性能主要基于能夠形成具有低生長速率的單一完整的α-Al₂O₃氧化膜。但NiAl直接作為粘結層有一些缺點，NiAl涂層在高溫氧化時形成大量空洞，空洞在金屬和氧化膜界面限制了金屬與膜的接觸，界面空洞是影響粘附性的重要因素。因此需要對NiAl涂層進行改性，制備一種新型熱障涂層粘結層材料。

J.A.Haynes,B.A.Pint等人研究發現通過Pt改性可以有效減少NiAl涂層界面空洞，顯著提高NiAl涂層的粘結性，Pt的添加量為6-8at.%時，便可起到很好的作用（見參考文獻1：J.A.Haynes,B.A.Pint,K.L.More,Y.Zhang,I.G.Wright,Oxid.Met.58(2002)513）。B.A.Pint,I.G.Wright等人研究發現NiAl涂層中摻雜微量的，Hf、Zr顯著提高了涂層的粘結性，且氧化增重很少（見參考文獻2：B.A.Pint,I.G.Wright,W.Y.Lee,Y.Zhang,K.B.Alexander.Mat.Sci.&Eng.1998,245A:201–211）。

發明內容

本發明提供一種新型熱障涂層粘結層材料及其制備方法，更具體的是指利用電鍍和電子束物理氣相沉積的方法制備一種適用于鎳基單晶高溫合金、1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素Hf、Zr摻雜的PtNiAl涂層。首先利用電鍍或電子束物理氣相沉積的方法在鎳基單晶高溫合金基體上制備一層厚度5～10μm的Pt層，然后利用電子束物理氣相沉積方法在Pt層上面沉積一層20～60μm NiAlHfZr涂層。利用電鍍或電子束物理氣相沉積一層Pt減少了界面孔洞，有效的提高了氧化膜的粘附性；Hf、Zr二元摻雜使NiAl涂層表面更加平整致密，在氧化過程中涂層表面生成的氧化膜更加平直，尤其氧化增重很少，極大的提高了涂層的抗氧化性能，這種新型的二元微量活性元素Hf、Zr摻雜的PtNiAl涂層的抗高溫氧化性能遠高于普通的NiAl系涂層，在1200℃空氣中完全抗氧化，經過二元活性元素Hf、Zr摻雜并且Pt改性后對涂層使用壽命的提高起到了一定的促進作用。

本發明提供的熱障涂層粘結層材料中，Pt層的厚度為5～10μm，NiAlHfZr層的厚度為20～60μm。在NiAlHfZr層中，Al含量為40～55at%，Hf含量為0.025～1.00at%，Zr含量為0.025～1.00at%，余量為Ni。

要制得所述的二元微量活性元素Hf、Zr摻雜的PtNiAl涂層，本發明采用電鍍和電子束物理氣相沉積的方法制備，該制備方法包括有下列步驟：

第一步：準備基體材料