一种改性MCrAlY涂层及其制备方法、单晶高温合金

本发明涉及高温防护涂层制备，特别涉及一种改性mcraly涂层及其制备方法、单晶高温合金。

背景技术：

1、高温合金由于具有优异的力学和抗高温蠕变性能，因此被广泛应用作航空航天工业的热端件材料。为了不断提高燃气轮机发动机的工作效率，先进燃气轮机的进气温度可达1600℃，叶片工作温度可1000℃～1200℃。由于叶片工作温度最高，同时受力复杂，新型发动机转子叶片采用了耐热温度更高的镍基单晶高温合金作为结构材料。为了保护这些关键热端部件并延长发动机热端部件的可靠服役寿命，一般均需在叶片的表面涂覆高温防护涂层，以保护基体合金不受高温氧化的加速破坏。

2、与传统的扩散型涂层相比，mcraly包覆涂层具有较为出色的环境抗性和环境适应性，可以根据服役环境和基体合金调整涂层成分和厚度的变化范围，进而减小涂层与基体之间的互扩散行为，同时降低涂层对基体的力学性能损伤。因此，mcraly涂层的成分选择和控制会极大地影响涂层和基体的性能。目前，大量的活性元素加入到涂层当中对其进行改性处理，其中，si元素可以提高氧化膜的抗剥落能力，增加氧化膜剥落的时间，同时si涂层具有较好的抗腐蚀性能。但是si含量过多会提高氧化物膜中的单个金属离子体积与金属中的每个金属原子体积之间比值，氧化物膜中产生过大的压应力，容易造成氧化膜的破裂，涂层的抗氧化性降低。因此，基于考虑si在提高氧化膜抗剥落能力的同时可能导致涂层氧化膜应力加剧，以及结合其他成分的优劣性能，如何通过合理调配涂层的成分来提供一种性能优异的mcraly涂层，是亟待解决的问题。

3、综上，现有的mcraly涂层至少存在如下技术问题：

4、针对现有的mcraly涂层，在提高涂层上氧化膜抗剥落能力的同时，容易导致涂层氧化膜应力加剧、氧化膜破裂的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种改性mcraly涂层及其制备方法、单晶高温合金，能够解决现有技术中针对现有的mcraly涂层，在提高涂层上氧化膜抗剥落能力的同时，容易导致涂层氧化膜应力加剧、氧化膜破裂的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种改性mcraly涂层，以质量百分数计，改性mcraly涂层的化学成分如下：cr 20～30wt％，co 10～20wt％，al 5～15wt％，y 0.5～1.5wt％，si 0.05～0.15wt％，其余为ni。

3、前述的一种改性mcraly涂层，以质量百分数计，改性mcraly涂层的化学成分如下：cr 23～28wt％，co 13～18wt％，al 8～12wt％，y 0.8～1.3wt％，si 0.06～0.12wt％，其余为ni。

4、前述的一种改性mcraly涂层，改性mcraly涂层中，si的质量百分数为a，al和cr的质量百分数之和为b；其中，a/b＝1.5×10-3～3×10-3。

5、前述的一种改性mcraly涂层，在改性mcraly涂层沉积于载体表面的情形下；

6、改性mcraly涂层表面形成致密且呈钉扎形貌的氧化膜，以提高改性mcraly涂层表面氧化膜的抗剥落能力；

7、和/或，改性mcraly涂层表面的氧化膜的p-b比值为1.5-1.8；

8、和/或，改性mcraly涂层中含有体积分数55～60％的β相和40～45％的γ'相，以提高其高温强度。

9、本发明还提供一种改性mcraly涂层的制备方法，其包括如下步骤：

10、上述一种改性mcraly涂层的制备方法，包括如下步骤：

11、制备合金粉末：制备母合金锭，将母合金锭制备成合金粉末；

12、制备含有涂层的载体：对载体进行预处理，将合金粉末沉积于预处理后的载体上，得到含有涂层的载体；

13、前述的一种改性mcraly涂层的制备方法中，在制备合金粉末中，采用真空气雾化处理将母合金锭制备成合金粉末。

14、前述的一种改性mcraly涂层的制备方法中，在制备含有涂层的载体中：预处理包括对载体依次进行的电化学除油以及活化处理；

15、优选的，在预处理前先对载体进行表面处理，其中，表面处理包括依次进行的打磨、湿喷砂处理、超声处理。

16、前述的一种改性mcraly涂层的制备方法中，在制备含有涂层的载体中：对预处理后的载体进行预溅射清洗；

17、优选的，预溅射清洗的参数控制如下：

18、对载体及炉腔进行10～15min的空蒸处理，得到沉积环境氛围；合金粉末装炉后，将炉腔抽真空至7×10-3～8×10-3pa，将温度升至100～120℃，向真空室充入惰性气体并维持气压为0.23～0.25pa；在偏压-600v～-800v，占空比为25～30％，电弧电流为55～65a的条件下进行预溅射清洗，控制溅射电压为-15～-20v，溅射时间为3～5min。

19、前述的一种改性mcraly涂层的制备方法中，在制备含有涂层的载体中：采用电弧离子镀沉积技术将合金粉末沉积于预处理后的载体上，得到含有涂层的载体；

20、优选的，电弧离子镀沉积技术的参数控制如下：

21、靶基距为220mm～280mm，弧电压为20v～25v，弧电流为70a～90a，脉冲偏压为-150～-300v，占空比为20％～40％，沉积温度为150℃～300℃，沉积时间为2h-5h，涂层厚度为40μm～60μm。

22、前述的一种改性mcraly涂层的制备方法中，在制备改性mcraly涂层中：热处理采用真空热处理；

23、真空热处理的参数控制如下：

24、采用真空梯度热处理的方式，在650℃～800℃的温度下处理2～4h、在900℃～1000℃的温度下进行2～4h；加热和冷却的速度控制为1-3℃/min。

25、本发明还提供一种用于制备改性mcraly涂层的材料，以质量百分数计，用于制备改性mcraly涂层的材料的化学成分如下：cr 20～30wt％，co 10～20wt％，al 5～15wt％，y0.5～1.5wt％，si 0.05～0.15wt％，其余为ni；

26、优选的，si的质量百分数为a，al和cr的质量百分数之和为b；其中，a/b＝1.5×10-3～3×10-3。

27、本发明还提供一种单晶高温合金，单晶高温合金包括单晶高温合金基体以及沉积在单晶高温合金基体上的改性mcraly涂层；其中，改性mcraly涂层为上述的改性mcraly涂层；

28、优选的，单晶高温合金基体为单晶高温合金叶片。

29、与现有技术相比，本发明提供的一种改性mcraly涂层及其制备方法、单晶高温合金，至少具有如下有益效果。

30、一方面，本发明提供一种改性mcraly涂层，改性mcraly涂层的化学成分如下：cr20～30wt％，co 10～20wt％，al 5～15wt％，y 0.5～1.5wt％，si 0.05～0.15wt％，其余为ni。需要说明的是：本发明mcraly涂层中通过采用了微量的si元素，si元素沿涂层氧化膜晶界与氧气形成sio2，导致sio2存在于mcraly涂层表面及其下方的晶界处，使得sio2呈钉扎状钉入mcraly涂层的表面，形成致密且呈钉扎形貌的氧化膜，可将氧化膜牢牢地钉扎在mcraly涂层表面，这样一来可以使得改性mcraly涂层表面氧化膜具有优异的抗剥落能力。同时，si元素协同al、cr元素，会降低改性mcraly涂层表面al、cr元素发生氧化的临界含量值，微量的si元素存在会促使涂层表面形成al2o3和cr2o3氧化物，避免改性mcraly涂层发生内氧化，使得改性mcraly涂层表面形成稳定的氧化膜，使得涂层具有高温抗氧化性。微量si元素使得改性mcraly涂层表面的氧化膜的p-b比值为1.5-1.8，使氧化膜中的应力在合理的范围值，使得氧化膜不容易破裂，进而提升了改性mcraly涂层的高温抗氧化性。

31、同时，本发明中y元素的加入可改变氧化膜微观结构和生长机制，提高氧化膜的塑性和抗剥落性。同时y元素可以利用空位粗化消除涂层与氧化膜界面的孔洞，提高改性mcraly涂层和氧化膜之间的结合力。进一步提升了氧化膜的抗剥落能力。

32、另一方面，本发明改性mcraly涂层由于调控了si和al、cr的含量：si/(al+cr)＝1.5×10-3～3×10-3。在热腐蚀时也会使改性mcraly涂层表面的氧化膜形成钉扎形状，保证了氧化膜具有优异的抗热腐蚀性能，通过实验测试，改性mcraly涂层在900℃的温度下热腐蚀200h增重0.3mg/cm2，优于传统的mcraly涂层。

33、进一步地，cr元素可以保证涂层具有优异的高温抗氧化性能，可以提高涂层抗type ii热腐蚀能力，还会降低形成连续al2o3层所需最小含al量。同时，cr也可以与o元素反应形成cr2o3膜，主要起到抗热腐蚀的作用。但是当cr含量较高时，会破坏氧化膜与涂层的依附能力，因此本发明采用了合理的cr元素，提高了涂层的高温抗氧化性能和抗热腐蚀的性能。

34、另一方面，本发明微量si元素的加入可以避免过量的si元素在涂层内部形成脆性相，进而提升了改性mcraly涂层自身的强度。同时，si元素的限量使用也降低了涂层的设计使用成本。

35、另一方面，co元素主要用于缓解改性mcraly涂层和高温合金基体之间界面应力，提高涂层和基体之间的界面稳定性。但是co含量较多时会形成富co相，与涂层电位不一致，容易成为微阴极区，加速涂层的腐蚀。因此，本发明设计了合理的co含量，co元素含量为10～20wt％，可以有效提升改性mcraly涂层与高温合金基体之间界面的稳定性。

36、进一步地，本发明对载体进行电化学除油以及活化处理，通过预处理去除载体表面的氧化膜，进一步提高了mcraly涂层和高温合金基体的结合力。