[發明專利]高溫合金表面致密型富Re阻擴散涂層的制備方法

有效

• 申請號: 202111093030.8
• 申請日: 2021-09-17
• 公開（公告）號: CN113789557B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 郭洪波;李婧晨;何健;魏亮亮
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C25D5/12
• 分類號: C25D5/12;C25D5/50;C25D5/40;C25D3/12;C23C10/08;C25D3/52
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明公開了一種高溫合金表面致密型富Re阻擴散涂層的制備方法，包括以下步驟：試樣表面處理：依次對試樣表面進行打磨及噴砂處理，清洗試樣表面；電鍍高Re含量NiRe層：將表面處理后的試樣置于NiRe溶液中電鍍Ni?Re層；高溫預擴散處理：將電鍍NiRe層后的試樣在真空爐中進行高溫預擴散處理；化學氣相沉積法(CVD)滲鋁：對高溫預擴散處理后的試樣進行CVD滲鋁；電鍍Pt層：對滲鋁后的試樣進行表面處理，將表面處理后的試樣放入堿性鍍鉑溶液中電鍍Pt層；電鍍后擴散處理：使用真空爐對鍍鉑后的試樣進行高溫擴散處理。該制備方法能夠保證NiRe鍍層中Re含量≥40at.％，鍍層與基體之間的結合力較強，高溫擴散處理后富Re阻擴散層的組織結構為單相富Re相。

技術領域

本發明涉及高溫合金表面防護涂層技術領域，具體涉及一種高溫合金表面致密型富Re阻擴散涂層的制備方法。

背景技術

隨著現代航空工業對燃氣渦輪發動機推重比要求的不斷提高，發動機渦輪前進口溫度達到1600℃，對于葉片材料的承溫能力提出了新的挑戰。單晶高溫合金因其服役溫度接近熔點，且在高溫下具有抵御部分機械變形的能力，成為目前航空渦輪發動機葉片的首選材料之一。

Ni₃Al金屬間化合物的使用溫度(1100-1200℃)滿足新一代高性能航空發動機的開發要求，同時其優異的機械性能保證了葉片在高溫服役條件下長期穩定的服役壽命。我國自行研制的第一代Ni₃Al基定向凝固合金IC6的初熔溫度相比于傳統鎳基高溫合金得到了顯著的提高(50-70℃)，新一代IC21合金添加了12.5wt.％的Mo和1.5wt.％的Re，進一步提高了合金的初熔溫度和力學性能。

然而，該單晶高溫合金在服役過程中容易發生難熔元素燒損，高溫下基體中Mo元素向涂層表面擴散，與氧氣接觸生成揮發態MoO₃，降低合金的抗高溫氧化性能及熱機械性能。同時，高溫合金中的固溶強化元素在高溫服役過程中會發生與涂層元素的互擴散，涂層中Al元素擴散進基體內部，促使合金γ’+γ相轉變為β相，導致合金析出拓撲密堆(TCP)相。TCP相是由難熔元素組成的，晶體結構區別于傳統面心立方、體心立方及六方的一種復雜結構相，在合金中常以針狀及片狀形狀出現，力學性能較脆，常常作為疲勞過程中應力集中的裂紋發源地。

因此，需要在合金與粘結層界面處添加阻擴散層以緩解Mo及其他難熔元素向外擴散，提高基體組織結構穩定性。目前，北航宮聲凱教授及其團隊通過Al-Si共滲工藝制備出的Si改性NiAl涂層能夠利用Si與Mo之間形成MoSi₂的傾向抑制Mo元素的外向擴散。然而，該涂層中的MoSi₂析出相在1150℃保溫20h后逐漸消失，說明涂層中Si元素對Mo元素的阻擴散作用在高溫下存在一定局限性。

Re元素作為新一代高溫合金強化元素被認為具有提高合金高溫蠕變性能、自身擴散速率低以及高溫熱穩定性好等特點。研究表明，電鍍純Re的電流效率很低，而NiRe共鍍時，Ni的沉積對Re有催化作用，因此一般采用Ni-Re共鍍的方法在合金表面制備NiRe鍍層。高溫下，Re原子與合金元素發生反應形成一層穩定的析出相，Al元素在該相中溶解度極低，因此能夠阻礙基體與涂層之間的元素互擴散。中科院金屬所鮑澤斌等人通過依次電鍍NiRe和Pt結合氣相滲鋁工藝在單晶高溫合金表面制備了低擴散速率的NiPtAl涂層，但是，滲鋁后該涂層中的富Re阻擴散層由富Re相與γ’相兩相組成，其中γ’相為Al元素的擴散通道，因此無法對氧化前期發生的元素互擴散起到阻擋作用。

此外，增加Re原子在NiRe層中的百分含量能夠顯著提高阻擴散層的致密性，但高Re含量的鍍層由于脆性過大常常在制備階段就發生開裂。

發明內容

本發明的目的是提供一種在單晶高溫合金表面通過電鍍以及高溫擴散處理工藝制備致密單相富Re阻擴散涂層的方法，能夠保證NiRe鍍層中Re含量≥40at.％，鍍層與基體之間的結合力較強，高溫擴散處理后富Re阻擴散層的組織結構為單相富Re相。