一种用于阻止IC10单晶高温合金和合金粘结层界面互扩散的扩散阻挡层

技术领域

本发明涉及一种适用于阻止IC10单晶高温合金和合金粘结层界面互扩散的扩散阻挡层及其制备方法和应用，属于高温防护涂层领域。

背景技术

提高涡轮入口燃气温度是提高航空发动机热效率的重要途径之一，随着航空发动机向更高推重比/涵道比/功重比的方向发展，其涡轮入口燃气温度随之不断攀升，即使在采用高效气膜冷却技术的前提下，高压涡轮导向叶片的工作温度也远超目前高温性能最优异的高温合金—单晶高温合金的可靠服役温度。因此，叶片表面采用隔热防护涂层(即热障涂层)已成为解决这一问题的有效措施之一。热障涂层能够显著减少高温燃气向高温合金叶片基体传递的热量，降低叶片表面温度，同时有利于叶片的高温抗氧化、抗腐蚀性能提升，服役寿命获得延长。因此，热障涂层技术已成为航空发动机的核心技术之一。

在高温工况下长期服役的航空发动机涡轮叶片热障涂层，由于MCrAlX粘结层(M为Ni、Co中的一种或二种的组合，X为Y、Dy、Hf、Ta、Si中的一种或其中任意二种/三种/四种的组合或五种全部)成分与单晶高温合金基体成分之间有一定的差异，二者界面之间在长时高温工况下将不可避免地发生元素互扩散，使单晶高温合金的组分发生偏析，而且，元素互扩散还将生成有害的拓扑密排相(TCP)和二次反应区(SRZ)。上述问题将导致单晶高温合金基体力学性能下降，直接影响发动机涡轮叶片的服役可靠性。因此，抑制单晶高温合金基体与MCrAlX合金粘结层之间的元素互扩散，维持单晶高温合金基体在长期服役过程中的力学性能稳定性，对于保障涡轮叶片的长时服役可靠性，至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于IC10单晶高温合金和合金粘结层界面的扩散阻挡层及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供了一种用于阻止IC10单晶高温合金和合金粘结层界面互扩散的扩散阻挡层，所述扩散阻挡层的成分为NiCoCrWTaAlA，其中A为Mo、Nb、Re和Hf中的至少一种；以NiCoCrWTaAlA的总质量为100％，Ni为68～71wt.％、Co为11～12.6wt.％、Cr为6.5～7.8wt.％、W为4～5.5wt.％、Ta为6.5～7.5wt.％、Al为5～5.5wt.％，A为2.9～4.5wt.％。

较佳的，所述扩散阻挡层的厚度为10μm～60μm。

另一方面，本发明提供了一种用于IC10单晶高温合金的热防护涂层，包括形成在IC10单晶高温合金基体表面的上述的扩散阻挡层和合金粘结层。

较佳的，所述合金粘结层的组分为MCrAlX，其中M为Ni或/和Co，X为Y、Dy、Hf、Ta和Si中的至少一种；以MCrAlX的总质量为100％，Cr为16～17.5wt.％，Al为11～12.5wt.％，X为0.3～2wt.％。

较佳的，所述合金粘结层的厚度为50μm～300μm。

再一方面，本发明还提供了一种用于IC10单晶高温合金的热防护涂层的制备方法，采用真空等离子喷涂技术或低压等离子喷涂技术在IC10单晶高温合金基体表面依次制备扩散阻挡层和合金粘结层。

较佳的，所述等离子喷涂技术的参数包括：本底真空＜0.1mbar，然后通入氩气使真空舱内气压达到40mbar～100mbar；喷枪的功率为90kW～110kW；等离子气体氩气和氢气，氩气的流量为90slpm～120slpm，氢气的流量为4slpm～8slpm。

较佳的，在等离子喷涂之前，将IC10单晶高温合金基体进行超声清洗和喷砂处理。

有益效果：

本发明中，该扩散阻挡层有效阻止了单晶高温合金基体和合金粘结层界面在长时高温服役工况下的元素互扩散，以及有害的拓扑密排相(TCP)和二次反应区(SRZ)的生成。

附图说明

图1为包括扩散阻挡层和合金粘结层的单晶高温合金试样的截面结构示意图；

图2为包括合金粘结层和扩散阻挡层的单晶高温合金试样经500h@1150℃热处理后的截面微结构；

图3为仅包括合金粘结层的单晶高温合金试样经500h@1150℃热处理后的截面微结构。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，适用于阻止IC10单晶高温合金和粘结层界面互扩散的扩散阻挡层的成分为NiCoCrWTaAlA(A为Mo、Nb、Hf、Re中的一种或其中任意二种/三种的组合或四种全部，其中，Ni、Co、Cr、W、Ta、Al和A的含量分别为68～71wt.％、11～12.6wt.％、6.5～7.8wt.％、4～5.5wt.％、6.5～7.5wt.％、5～5.5wt.％，2.9～4.5wt.％，各组分质量百分比之和为100％)。

在扩散阻挡层表面沉积MCrAlX合金粘结层(M为Ni、Co中的一种或二种的组合，X为Y、Dy、Hf、Ta、Si中的一种或其中任意二种/三种/四种的组合或五种全部)。

在本公开中，扩散阻挡层成分设计的独到之处在于：该扩散阻挡层成分设计的独到之处在于：与单晶高温合金基体的成分相比，其Ni含量比例稍低、Al含量比例稍高；与合金粘结层的成分相比，其Ni含量比例稍高，Al含量比例稍低。同样，其它元素含量比例也相应增减。因此，根据菲克定律，在高温服役工况下，该新型扩散阻挡层就起到了平衡的作用，既能够阻止单晶高温合金基体中的Ni向合金粘结层中扩散，又能够阻止合金粘结层中的Al向单晶高温合金基体中扩散。

本发明一实施方式中，采用真空等离子体喷涂技术(VPS)或低压等离子体喷涂技术(LPPS)在单晶高温合金基体表面沉积扩散阻挡层和合金粘结层作为热防护涂层。

单晶高温合金基体准备与前处理：将单晶高温合金基体进行超声波清洗，并对其待喷涂表面进行活性粗糙化(即喷砂处理)，使其表面粗糙度Ra达到10μm～20μm。IC10单晶高温合金的成分为NiCoCrWTaAlMoHf(Co为12.2wt.％、Cr为6.9wt.％、W为4.9wt.％、Ta为7.1wt.％、Al为5.7wt.％、Mo为1.8wt.％、Hf为1.5wt.％，其余为Ni，各组分质量百分比之和为100％)。

将经过前处理的单晶高温合金基体安装在真空喷涂舱的样品转台上。

对真空舱抽真空，舱内气压小于0.1mbar后，返充氩气使真空舱内气压达到40mbar～100mbar，采用等离子体喷枪沉积扩散阻挡层。喷涂参数可为：喷枪功率90kW～110kW，等离子气体氩气、氢气的流量分别为90slpm～120slpm和4slpm～8slpm。该扩散阻挡层的厚度可为10μm～60μm。

沉积合金粘结层，喷涂参数同上。该合金粘结层的成分为MCrAlX(M为Ni、Co中的一种或二种的组合，X为Y、Dy、Hf、Ta、Si中的一种或其中任意二种/三种/四种的组合或五种全部)，厚度可为50μm～300μm。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

第一步：选取IC10单晶高温合金基体试片，将其进行超声波清洗，并对其待喷涂表面采用白刚玉砂进行喷砂，使其表面粗糙度Ra达到10μm～20μm；

第二步：将经过前处理的IC10单晶高温合金基体安装在真空喷涂舱的样品转台上；

第三步：对真空舱抽真空，舱内气压小于0.1mbar后，返充氩气使真空舱内气压达到40mbar～100mbar，采用O3CP等离子体喷枪沉积扩散阻挡层，该层成分为：Ni为60.3wt.％、Co为12.1wt.％、Cr为7.2wt.％、W为4.8wt.％、Ta为6.9wt.％、Al为5.4wt.％、Mo为1.8wt.％，Hf为1.5wt.％，各组分质量百分比之和为100％；厚度为20μm～30μm；喷涂参数为：喷枪功率为100kW，等离子气体氩气、氢气的流量分别为100slpm和6slpm；

第四步：沉积合金粘结层，喷涂参数同上。该合金粘结层的成分为NiCoCrAlY，其中Ni为47.5wt.％，Co为23wt.％，Cr为17wt.％，Al为12wt.％，Y为0.5wt.％，各组分质量百分比之和为100％；厚度为100μm～200μm。

对比例1

本度比例1中热障涂层的制备过程参照实施例1，区别在于：不制备扩散阻挡层。

将实施例1制备的试样和对比例1中制备的不包括扩散阻挡层的带粘结层的单晶高温合金试样一起放入箱式炉内，在1150℃保温500h。

将完成“在1150℃保温500h”的两种试样进行金相制样，在扫描电子显微镜下观察其截面微结构(如附图2和附图3所示)，结果显示，具有扩散阻挡层的单晶高温合金基体和合金粘结层界面未发生元素互扩散，扩散阻挡层起到了阻止单晶高温合金基体和合金粘结层界面元素互扩散的作用；而没有扩散阻挡层的带粘结层的单晶高温合金试样经相同条件下保温后，单晶高温合金基体和合金粘结层界面发生了元素互扩散。