专利名称：镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni<sub>3</sub>Al热障粘结层的方法
技术领域：
本发明涉及一种镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al热障涂层粘结层的方法，属金属表面涂层技术领域。
背景技术：
现代航空燃气涡轮发动机大推力、高效率、低油耗和长寿命的发展趋势使涡轮发动机进口温度不断提高。虽然高温合金的不断发展使其性能有了很大的提高，但其提升幅度已远远不能满足涡轮发动机使用的需要。因此，寻找新的冷却方法以及在高温合金表面制备耐高温和抗氧化的热障涂层，从而降低高温合金基体表面的温度和防止基体的氧化就成了一种十分必要且有效的技术。热障涂层一般由外部陶瓷层和内部金属基的粘结层两层材料组成。通常情况下， 陶瓷层为AO3 (7、Wt. %)稳定的通过大气等离子喷涂(Air plasma spraying)或者电子束物理气相沉积(Electron beam-physical vapor exposition)的方法制备于金属粘结层的表面。陶瓷层材料具有较低的热导率，同时其内部存在许多的空位和缝隙，因此具有很大的氧扩散系数。特别是通过电子束物理气相沉积法制备的陶瓷层，其结构为柱状晶结构，各个柱状晶之间存在较大的空隙，氧的透过能力很强。基于以上原因，位于陶瓷层下部的粘结层必须要具有非常好的抗高温氧化性能，才能保证高温合金基体不被氧化，从而增加其使用寿命。粘结层的抗氧化机理就是通过在表面生成一层致密的TGO (Thermal grown oxide)层，阻止氧进一步向基体中的扩散，从而起到保护基体的作用。同时，大部分的热障涂层的失效都是由于陶瓷层与TGO层或者粘结层与TGO层发生脱粘而引起的，因此能否生成一层致密的氧化层，同时能否与基体保持良好的粘结性能，是衡量一种粘结层材料是否合适两个很关键的因素。传统的热障涂层粘结层材料，主要是MCrAlY (M = Ni, Cr or Ni+Cr)或者是Pt改性的NiAl合金。这两种涂层由于表面铝含量很高，在有氧的环境下可以生成致密的Al2O3 层，阻止氧进一步向内部扩散，因此具有很好的抗氧化性能。但由于其与镍基高温合金中的铝含量相差太大，因此涂层中的铝向内部扩散速率很快，导致涂层很容易由于铝含量的缺失而发生马氏体转变，并最终由于内部应力过大而导致陶瓷层的脱落，使热障涂层失效。
发明内容
本发明旨在制备一种Pt含量较高而铝含量较低的热障涂层粘结层，从而解决传统热障涂层粘结层中铝含量与基体中铝含量差别过大，导致粘结层由于铝向基体中快速扩散而产生马氏体相变的问题。本发明是通过在镍基高温合金表面镀Pt，然后采用固体粉末渗铝法，在镍基高温合金表面制备出一种Pt改性的NiAl+Ni3Al涂层。Pt+β -NiAl相分布在涂层的表面，涂层
3铝含量从表面向内部逐渐减低，
最终在涂层的内部形成以Pt+γ-Ni+γ ‘ -Ni3Al为主的相。这种涂层，由于其铝含量从外到内是逐渐降低的，因此其内部铝的扩散速率将会大大小于传统的粘结层材料，从而保证了涂层表面铝的含量，减少了由于相变产生应力的可能性，增加了热障涂层体系的寿命。本发明在镍基高温合金基体表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al热障粘结层的方法， 其特征在于具有以下的过程和步骤
(a)通过电镀的方法在镍基高温合金表面镀上一层厚度为5 12μ m的Pt;
(b)将镀Pt高温合金基体在90(Tl20(rC的温度下加热处理广3h；
(c)将上述经加热处理的镀Pt高温合金基体放入装有均勻混合的粉末渗剂的刚玉坩埚中。采用粉末包埋渗的方法，将高温合金基体包埋于粉末渗剂中，加热到80(Tl20(rC，保温2 6h。并最终在高温合金基体表面生成Pt+ β -NiAl+ y ‘ -Ni3Al涂层；
所述粉末渗剂的成分以及质量百分含量为Γ10%&-Α1或者Ni-Al、2 4%NH4C1和 86 94%A1203。本发明的Pt+β-NiAl+γ ‘ -Ni3Al涂层表面是β-NiAl相，在氧化性环境中可以生成致密的Al2O3氧化膜，能有效保护基体不被氧化。同时与基体相连的粘结层下部为
Y‘ _Ni3Al+Y-Ni相，保证了与高温合金基体的粘结性能。与传统的粘结层材料相比，这种涂层克服了因Al耗散过快而造成热障涂层失效的问题，使热障涂层寿命大大增加。并且与传统的涂层制备方法相比，此发明操作方法简单，成本低廉。有关本发明热障粘结层的机理
(1)粘结层从表面到内部铝含量不断减小，粘结层与高温合金基体界面处铝的浓度梯度很小。表面Pt含量很高(2548wt.%)，Pt以置换固溶体的形式存在于涂层中，对改善涂层的抗氧化性能以及增强粘结层与陶瓷层的粘结性能起到有益的作用。(2)粘结层表层铝含量很高(17_21wt.%)，具有很好的抗氧化性能；而内层铝含量较低(8-12wt.%)，涂层内层组织相结构与高温合金基体的组成相相同，因此与基体的粘结性能优于传统的粘结层材料。(3)粘结层在高温氧化环境中，表面铝向内部扩散的速率慢，出现马氏体相变的可能性大大降低。本发明的特点和优点
与传统的热障涂层粘结层相比，本发明制备的涂层不论是在性能还是在经济因素上都具有较大的优势，具体表现在
1.涂层抗氧化性能好，结构稳定。运用此发明制备的Pt+β-NiAl+γ' -Ni3Al涂层其表面是β-NiAl相，具有良好的抗氧化能力。同时涂层与基体之间铝浓度梯度较小，涂层表面铝元素向基体扩散的速率较慢，因此涂层内部由于相变而产生的应力较小，涂层结构稳定，使用寿命增加。2.与基体粘结性能好。运用此发明制备的Pt+β-NiAl+γ ‘ -Ni3Al涂层下部是
Y’ -Ni3Al+ y -Ni相，与高温合金基体组成相相同，因此具有很好的粘结性能。3.操作简单，成本低廉。与使用喷涂等方法制备粘结层相比，此发明采用固体粉末渗铝的方法制备粘结层设备简单，操作方便，成本低廉。尤其对于有孔零件的表面涂层的制备，更具有明显优势。
图1为本发明中具有Pt+i3_NiAl+Y' -Ni3Al粘结层的热障涂层结构示意图。其中a-陶瓷层，b- TG0, C- Pt+β-NiAl+y ‘ -Ni3Al粘结层，d-高温合金基体。
具体实施例方式实施例1 选取高温合金DZ417G作为基体，将其线切割为15mmX IOmmX 3mm的片状，分别使用120#，400#，800#和1200#水磨砂纸将其表面打磨平整，然后将其放入装有丙
酮的烧杯中，使用超声波清洗二十分钟。将试样从烧杯中取出后，使用清水将样品表面的丙酮冲洗干净，再用无水乙醇冲洗，最后用吹风机将其吹干，待用。在已经清洗干净的样品表面电镀上厚度为5 Mffl的Pt层，然后将电镀好的基体在 1050°C加热处理2h。把混合均勻的渗剂置于刚玉坩埚中，粉末渗铝使用的渗剂成分为6wt.%Cr_Al、 2wt. %NH4C1和92wt. %的A1203。将上述经过热处理的镀Pt高温合金基体埋入到渗剂中，保证高温合金基体基本处于坩埚的中央且完全被粉末渗剂掩埋。使用高温耐火泥和高温胶将坩埚密封严实。然后使用吹风机将耐火泥吹干。将密封好的坩埚放入到电阻炉中，通入保护性气氛，将其加热到1100°C，保温池。然后关闭电源，将试样与坩埚随炉冷却，从而得到 Pt+β-NiAl+γ ‘ -Ni3Al 涂层。实施例2 在清洗干净的高温合金基体表面镀上厚度为7 Mffl的Pt，然后将其在 1100°C下加热处理3h。粉末渗铝使用的渗剂成分为8wt.%Ni-Al、2wt.%NH4Cl和90 wt. % 的Al2O3，其它工艺与上述工艺相同。图1中Pt改性的NiAl+Ni3Al基热障涂层粘结层(c)， 位于热障涂层体系的中部，其上部为TGO (b)层，TGO上部为陶瓷层(a)，粘结层下部为高温合金基体(d)。
权利要求
1. 一种镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al热障粘结层的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤(a)通过电镀的方法在镍基高温合金表面镀上一层厚度为5 12μ m的Pt;(b)将镀Pt高温合金基体在90(Tl20(rC的温度下加热处理广3h；(c)将上述经加热处理的镀Pt高温合金基体放入装有均勻混合的粉末渗剂的刚玉坩埚中；采用粉末包埋渗的方法，将高温合金基体包埋于粉末渗剂中，加热到80(T120(TC，保温 2飞h ；并最终在高温合金基体表面生成Pt+ β -NiAl+ γ ‘ -Ni3Al涂层；所述粉末渗剂的成分以及质量百分含量为Γ10%&-Α1或者Ni-Al、2 4%NH4C1和 86 94%A1203。
全文摘要
本发明涉及一种在镍基高温合金基体(c)表面形成Pt改性的β-NiAl+γ′-Ni3Al热障涂层粘结层的方法。具体的说，这种涂层表面(a)是Pt+β-NiAl相，而内部(b)则是Pt+γ-Ni+γ′-Ni3Al相。这种双相结构克服了传统热障涂层粘结层由于涂层与基体铝含量相差太大，铝快速扩散而引起马氏体相变的问题，在保证了涂层抗氧化性能的同时兼顾了涂层与基体的粘结性能，与传统粘结层材料相比，具有比较大的优势。本发明中的Pt+β-NiAl+γ′-Ni3Al涂层的形成是通过粉末包埋渗铝法完成的。具体实施工艺是首先在高温合金基体上镀上一层Pt后，然后将其进行加热扩散处理。最后将扩散均匀的镀Pt基体进行粉末包埋渗铝处理，通过控制渗铝工艺得到此种结构和相的涂层。
文档编号C23C28/02GK102181860SQ20111007275
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者姚培培, 操光辉, 欧桃平 申请人:上海大学