用于制备保护涂层的合金组合物及其用途及应用方法以及涂覆有该组合物的高温合金制品技术

用于制备保护涂层的合金组合物，该组合物含有钴、镍、铬、铝、钇和铱，各元素的含量使得能够获得α相、β相和σ相，该组合物特别用于涂覆高温合金制品。优选该高温合金制品为涡轮构件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于制备保护涂层的合金组合物和该组合物的用途及其应 用方法以及涂覆有该组合物的高温合金。
技术介绍
众所周知，在效率和可获得的能量方面，燃气轮机的性能在本质上与热 力学循环的最大温度有关，也就是与接触燃气轮机部件金属壁的热气体的温 度有关，特别是第一转子和定子级的涡轮叶片。用于构成暴露到高温下的部件的高温合金因此受压至其工艺极限，并因 此由于越来越高的运行温度和使用较低品质的燃料而受到由连续增加的疲 劳所产生的氧化、腐蚀和侵蚀过程。因此产生了用能保护这种部件的结构并延长它们的可靠性的成分来涂 覆这种部件的表面的需要。已知具有金属组合物的高温合金部件的涂料，金属组合物如MCrAlY 型，其中M可以为镍、钴或铁。该后者一般通过空气等离子喷射(APS)和真空中或低压等离子喷射 (VPS或LPPS)而涂覆，或者由氧气-燃料系统(HVOF)热喷射而涂覆。MCrAlY型组合物通常用于保护基板不受到氧化和腐蚀。特别是在疲劳的环境中，如在第一级涡轮叶片的情况下，MCrAlY组合 物一般与层叠的陶瓷绝热层缔合。MCrAlY组合物具有保护高温合金基板不被氧化、并将该绝热层锚固其 上的任务。实际上，存在于MCrAlY组合物中、与氧接触的铝氧化而选择性地形成 "1203层。这种非常致密的且在轮机的运行温度900-110(TC下化学稳定的氧化物 防止氧进一步向下面的金属基板扩散，而保护了高温合金部件不被氧化。另外，基板和绝热层之间的锚固功能通过存在Y、 Re和Hf时，由所述 Y、 Re和Hf的氧化而产生的通常称为钉(peg)的突起和通过绝热层自身内 的A产离子的扩散共同地机械地进行。MCrAlY型组合物可以被宏观地同化到主要由普遍含有Ni、 Co和Cr的晶格Y构成的金属合金中，该晶格Y中分散有第二富铝P相，特别是以Ni-Al和/或Co-Al形式的颗粒。在氧化的环境中，卩相的铝与氧反应产生a-Al203的保护薄层。 一般地，在涂料稳定性、可延展性和耐腐蚀性方面，NiCoCrAlY组合物表现出比NiCrAlY更好的特性。涂料组合物的显微结构特性及其因此首先在耐久性方面的性能受到组成该组合物的成分和各成分的重量含量的很大影响。组成成分可以分为主要两类反应性成分和惰性成分。 通过与环境中的氧反应，首先，主要是Y、 Si和Hf在与氧化铝的边界区域形成氧化物。这种氧化物产生了氧的优先途径的形成，该氧接着与涂层中的Al反应以形成能结合预先形成的稳定保护薄层的氧化物的氧化铝薄层。在层叠的绝热层存在下，这些氧化物机械地用作氧化铝和绝热层自身之间的锚固。反应性成分的另一个主要功能为减慢涂层中的铝和铬的向外扩散，防止 损耗并由此延长了寿命。反应性成分的存在还有助于防止硫在氧化铝薄层和涂层之间的界面熔 析(segregation)。铬的存在对预防高温腐蚀很有效，该高温腐蚀伴随着形成脆化的硫化物，提高了延性脆性转变温度(DBTT)。惰性成分，如Re和Pt，借助于它们的大尺寸和更高的密度可以互相作 用，作为用于将铝和铬向外输送而将氧向内输送的扩散阻挡层。那样，由于 卩相的损耗而减慢了氧化铝薄层的生长，否则会随着之后在高温合金部件中 形成微腔以及由此产生的热机械疲劳现象，而产生存留的铝耗尽以及涂层保 护效率的损失。目前，已知有用于涂覆高温合金制品的各种不同类型的MCrAlY型组合物。专利US5268238中公开了例如具有可能添加的Re、 Si和诸如Hf、 W、 Ta、 Ti、 Nb、 Mn和Zr的元素的MCrAlY型组合物。此外，专利US6756131中公开了含有镍、钴、铬、铝、钇和铼的耐高 温的MCrAlY型组合物的用途。特别是，如W Beele等人所描述(Surface and coating Technology (表面 和涂覆技术)，1997, 94-95)的，通过直接在A1203薄层下形成富铬cr相和比a 相更富含络的a相，铼能使P相的消耗减慢。这种相补偿了消耗的区域并由 此防止了涂层的脆化，阻止了砂眼的形成。表1示出了存在于一般的 NiCoCrAlYRe组合物中的相的化学组成。表l<table>table see original document page 6</column></row><table>作为很大和很重的原子(原子量=186.2)的金属铼作为干扰扩散、抑制 薄层生长并因此延迟了 P相的消耗的惰性元素。不利的方面是，当以大于3%的含量存在时，铼显示出使涂层脆化的作 用；因此，在实践中，铼的这种脆化作用降低了适用性。此外，当施覆到钴系基板上时，含有铼的MCrAlY型组合物在含有最小 含量的铼时还显示了甚至更明显的脆化，因此不能成功地用于所有钴系高温 合金构件上。因此，开发没有现有技术的缺陷的新的涂料组合物是在高温合金部件保 护涂层技术部分的基本需要。US6183888描述了制备高温合金制品的保护涂层的方法，该专利设想了 至少含有Cr、 Al和活泼元素的合金粉末具有残留开气孔的沉积，该沉积跟 着为含有铂族中的至少一种金属如钌、铑或铱的另一层的沉积，以填充残留 开气孔。在US6183888中描述的方法显示了在MCrAlY合金层上铱层的沉 积相，接着是以热处理方式的扩散相。然而，这种方法很复杂、耗时且费用 很大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供用于高温合金制品保护涂层的合金组合物，该高温 合金制品特别是(但不仅仅是)燃气轮机构件如第一级叶片，该组合物可以 获得改进的性能、或者无论与由已知的涂料合金组合物所确保的、与延长涂 层的寿命并因此延长整个的涂覆制品的寿命相结合的可相比性，该组合物完 全确保了通过简单和相对低成本的方法在基板上应用的可能性。根据本专利技术，此目的是通过用于产生权利要求1所述的保护涂层的合金 组合物来达到的。该组合物可以含有铼，其含量优选低于2%，更优选为0.5-1.5%。在优选的实施方式中，该组合物含有24.1%的钴、47.59%的镍、16.8% 的铬、9.7%的铝、0.41%的钇和1.40%的铱。这种合金组合物不同于目前用于铱的存在的所有其它组合物，并且目的 在于通过铼实现部分效果的改进并克服归因于脆化的限制。由于铱的原子粒度及密度很大，铱在涂层中的作用可与惰性成分的作用 相比较。另外，铱相对于铼具有更高的原子量(原子量=192.2)，并因此更倾向 于阻碍铝和铬以及氧的扩散，因此防止了氧化铝薄层的快速和不均匀的生 长。与晶格为致密的六方晶系的铼不同，铱具有面心立方体(fcc)的晶体结构作为形成基板的金属合金此提供了与基体合金的更高的相容性，这是对于涂层耐久性目的的重要方面。在氧化环境中，铱能形成Ir203和Ir02型的稳定氧化物，并由于其对于 氧的扩散率特别低而具有作为扩散阻挡层(diffosive barrier)的独特的作用 能力。此外，已观察到同时含有铱和铝的合金还可以在氧化环境中形成锚固在 铱层上的氧化铝的致密薄层；因此本专利技术的合金能提供与已知的Re系合金 的相同的优点而没有脆化的缺点，并且与US6183888所公开的相反，同样地 不需要Ir层的预防性沉积，这是因为Ir层是在合金的使用过程中单独形成 的。另外，铱具有确实的通过与Ni、 C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备保护涂层的合金组合物，其特征在于，该组合物含有１０－３０％的钴、３０－７０％的镍、１５－２０％的铬、８－１２％的铝、０．１－２％的钇和０．５－３．５％的铱。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：S科科鲁托，T法尔奇内利，F卡萨德尔，
申请(专利权)人：安萨尔多能源公司，
类型：发明
国别省市：IT[]