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热障涂层粘结层材料
    【技术领域】

    本发明属于新材料制备及应用领域，涉及两种新型热防护涂层材料，包括涂层材料成分设计和抗氧化性能的改善，主要应用于涡轮发动机高温部件热障涂层粘结层。

    背景技术

    现代涡轮发动机基底材料主要是超合金，为了使其能够承受高温燃烧腐蚀的环境，通常选用热障涂层作为热端部件的防护涂层。典型的热障涂层体系，如图1所示，由涂覆于基底上以MCrAlY(M＝Ni，Co或二者兼有)为主的抗氧化粘结层和以Y₂O₃部分稳定的ZrO₂(YSZ)为主的抗导热陶瓷顶层组成。高温氧化过程中，在粘结层和抗导热陶瓷层之间会形成一层热生长氧化物(TGO)，阻止氧进一步扩散，起到保护基体材料不受侵蚀的作用。然而，TGO厚度增长所产生的应力将直接导致裂纹的萌生和扩展，造成涂层的剥落失效。因此，粘结层材料的氧化速率成为影响涂层使用寿命的关键问题之一。而且，随着科学技术的发展，对涡轮发动机的综合性能提出了更高的要求。为改善发动机热力循环性能，提高推重比，要求高的涡轮进口温度。热障涂层的隔热效果、粘结层材料的抗氧化性能成为决定涡轮发动机高温承载能力的重要因素。研究表明，粘结层材料的成分对热循环过程中TGO的生长速率、成分、完整性、与基体的结合力和剥落行为都有着决定性的作用。

    【发明内容】

    本发明的目的是为了解决涡轮发动机高温部件热障涂层在服役过程中出现的高温氧化失效问题，提供两种新型钴镍基高温合金材料。其特征在于，以CoNiCrAlY和CoNiCrAlYRe合金为基础，通过调整合金成分，改善粘结层材料的抗氧化性能，从而提高热障涂层的使用温度和使用寿命。

    所述热障涂层用粘结层材料系列1的化学成分如下：

    Ni：18wt％‑35wt％

    Cr：14wt％‑20wt％

    Al：6wt％‑10wt％

    Y：0.01wt％‑3wt％

    N：＜0.05wt％

    S：＜0.05wt％

    O：＜0.1wt％

    C：＜0.05wt％

    Co：Bal.(余量)

    添加成分：

    Pt：0.1wt％‑10wt％

    Dy：0.01wt％‑3wt％

    Ce：0.01wt％‑3wt％

    Pd：0.1wt％‑10wt％

    具体添加方案如下：

    (1)添加0.1wt％‑10wt％的Pt

    (2)添加0.01wt％‑3wt％的Dy

    (3)添加0.1wt％‑10wt％的Pt和0.01wt％‑3wt％的Dy

    (4)添加0.01wt％‑3wt％的Ce

    (5)添加0.1wt％10wt％的Pd

    上述添加方案均能够提高该系列粘结层材料在高温下的抗氧化性能。

    所述热障涂层用粘结层材料系列2的化学成分如下：

    Ni：18wt％‑35wt％

    Cr：14wt％‑20wt％

    Al：4wt％‑8wt％

    Y：0.01wt％‑3wt％

    Re：0.1wt％‑10wt％

    N：＜0.05wt％

    S：＜0.05wt％

    O：＜0.1wt％

    C：＜0.05wt％

    Co：Bal.(余量)

    添加成分：

    Pt：0.1wt％‑10wt％

    Dy：0.01wt％‑3wt％

    Ce：0.01wt％‑3wt％

    Pd：0.1wt％‑10wt％

    具体添加方案如下：

    (1)添加0.1wt％‑10wt％的Pt

    (2)添加0.01wt％‑3wt％的Dy

    (3)添加0.1wt％‑10wt％的Pt和0.01wt％‑3wt％的Dy

    (4)添加0.01wt％‑3wt％的Ce

    (5)添加0.1wt％‑10wt％的Pd

    上述添加方案均能够提高该系列粘结层材料在高温下的抗氧化性能。

    本发明可用于涡轮发动机机高温部件(如叶片、喷嘴等)的热障涂层粘结层，延长高温部件的使用寿命。对粘结层材料的成分限定范围说明如下：

    粘结层材料中添加Pt，能够促进Al向表面的扩散，生成致密的Al₂O₃保护膜，从而改善粘结层的抗氧化性能。若Pt的含量低于0.1wt％，就达不到明显改善抗氧化性能的效果，同时，如果超过10wt％，粘结层材料的硬度值也会明显升高，导致涂层容易开裂失效。因此，Pt的含量在1.0～7.0wt％为宜，2.0～5.0wt％最佳。

    粘结层材料中添加Dy，Dy的加入可以细化氧化膜晶粒，提高氧化膜致密性与粘附性，改善粘结层材料的抗氧化性能。如果Dy含量不足0.01wt％，就没有改善抗氧化性能的效果；如果超过3wt％，在粘结层中会形成明显的偏析，降低涂层延展性等力学性能。因此，Dy的含量在0.05～2.0wt％为宜，0.1～1.0wt％最佳。

    粘结层材料中添加Ce，Ce的加入能够促进从θ‑Al₂O₃→α‑Al₂O₃的转化，降低氧化膜生长速率，从而改善粘结层材料的抗氧化性能。如果Ce含量不足0.01wt％，就达不到改善抗氧化性能的效果；同时如果超过3wt％，其延展性能会有所降低。因此，Ce的含量在0.05～2.0wt％为宜，0.1～1.0wt％最佳。

    粘结层材料中添加Pd，实验表明会提高其抗氧化性能。如果Pd含量不足0.01wt％，就达不到改善抗氧化性能的效果；同时如果超过10wt％，虽然会提高粘结层材料的抗氧化性能，但是其硬度会明显升高。因此，Pd的含量在1.0～6.0wt％为宜，2.0～4.0wt％最佳。

    【附图说明】

    图1为热障涂层示意图

    图2为热障涂层用粘结层材料系列1在1000℃恒温氧化动力学图。

    图3为热障涂层用粘结层材料系列2在1000℃恒温氧化动力学图。

    图4为系列1粘结层合金在5kg载荷下的显微维氏硬度。

    图5为系列2粘结层合金在5kg载荷下的显微维氏硬度。

    【具体实施方式】

    本发明涉及两种新型涡轮发动机高温部件热障涂层粘结层用钴镍基高温合金材料。通过实施例进一步详细说明如下：

    按照表1中实施例的化学成分，采用真空熔炼的方法制备实验合金。氧化实验前对合金进行真空热处理：1120℃、2h固溶热处理和850℃、24h时效热处理。另外，为便于比较，以CoNiCrAlY和CoNiCrAlYRe作为比较例，做相同条件下的对比实验。

    表1系列1实验合金成分(wt％)

    

    表2系列2实验合金成分(wt％)

    

    图2和图3出示了粘结层合金材料1000℃恒温氧化实验结果。同比较例1(CoNiCrAlY)相比，实施例1～6粘结层合金抗氧化性能均有明显改善。同比较例2(CoNiCrAlYRe)相比，实施例7～12粘结层合金抗氧化性能也均有显著改善。在1000℃氧化100h后，比较例1和2单位面积增重分别为0.40mg/cm²、0.37mg/cm²，而相同条件下实施例单位面积增重均降低到相应比较例的60％～80％以下。

    图4和图5给出了两个系列粘结层合金在5kg载荷下的显微维氏硬度。从图中可以看出，各实施例与相应比较例的硬度基本相当，最大波动幅度为12％。

    综合图2～5的结果，可以看出，采用实施例1～12中的粘结层材料，可以使涡轮发动机获得更耐高温、耐氧化和更长使用寿命的热障涂层。

    特别指出的是，本发明中的涂层材料通过应用于涡轮发动机高温部件热障涂层粘结层进行说明，但本发明并不局限于上述应用。对于发电、航空航天、冶金、石油化工、船舶、汽车制造等领域暴露于高温环境下的热端部件的防护涂层均可适用。