一种高服役寿命的热障涂层粘结层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高服役寿命的热障涂层粘结层及其制备方法，所述粘结层为MCrAlY或MCrAlYX粘结层，且所述粘结层中稀土元素以富集的纳米颗粒形式均匀分布。本发明专利技术通过短脉宽、低能量、多次数辐照的强流脉冲电子束技术来调控粘结层中稀土元素的分布形式，使得稀土元素形成稀土富集纳米分散颗粒，从而得到一种稀土元素以富集的纳米颗粒形式均匀分布的粘结层，由此克服了粘结层中稀土元素分布不均或容易以氧化物形式团聚而导致的抗氧化性不利的缺陷，对热障涂层抗高温氧化性能的提高具有重要的意义。重要的意义。重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种高服役寿命的热障涂层粘结层及其制备方法


[0001]本专利技术属于表面改性
，尤其涉及一种高服役寿命的热障涂层粘结层及其制备方法。

技术介绍

[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coating，TBC)凭借其高隔热、抗氧化等功能被广泛应用于航空发动机及燃气轮机上。常规的TBC是由表层陶瓷层+底层MCrAlY(M为Ni，Co或Ni+Co)粘结层所构成的双层结构。在高温环境下，MCrAlY界面处会形成一层热生长氧化层(TGO)，是影响TBC热力学性能和耐久性的关键因素。理想的TGO是由连续、致密且生长缓慢的α
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Al2O3构成，其具有对元素扩散的屏蔽能力、良好的粘附性以及转变时较少的体积变化。但是在严苛的服役环境下，理想态的Al2O3很难稳定生长，随着氧化时间的延续以及热应力的持续累积，氧化膜内应力积聚会导致TGO产生形态以及成分的变化，并逐渐产生开裂、剥落，最终导致涂层失效。
[0003]目前，热喷涂技术制备粘结层在航空发动机上应用最为广泛。热喷涂技术主要包括低压等离子喷涂(LPPS)及超音速火焰喷涂(HVOF)，两种技术制备的粘结层均具有较高的致密性，抗高温氧化性能较佳，但是两种技术制备的粘结层表面均具有较高的表面粗糙度，且制备的粘结层成分并不能实现完全均匀化分布。
[0004]为了进一步提高粘结层的抗高温氧化能力，研究学者开始开发六元、七元粘结层，即主要以添加微量的稀土活性元素为主。在粘结层中，稀土元素将起到十分重要的作为，其中以Y为代表的稀土元素，可以改善TGO的粘附性，降低其生长速率，从而提高粘接层的抗高温氧化及抗热腐蚀能力。此外还常额外加入Ta、Si、Hf等元素，以促进Al2O3形核速率，并提高其粘附性。但是对于粘结层来说，掺入的稀土元素分布不可控，如果稀土元素添加过量，还会产生偏聚现象；并且由于稀土元素亲氧性很强，稀土元素多以氧化物形式存在，如果服役温度过高或者保温时间过长，其很容易进一步形成复杂氧化物，该类氧化物一旦聚集，便会失去“稀土元素效应”，导致氧化膜快速生长，对粘结层反而起到恶化作用。
[0005]申请公布号CN108396278A公开了一种长寿命MCrAlY涂层、制备方法和在热端部件的应用，其采用一种扩散渗Y技术制备长寿命MCrAlY涂层，该涂层中的Y以高稳定金属间化合物M5Y形式存在，可以通过M5Y实现Y在涂层中的稳定供给，避免Y快速氧化，进而改善涂层热稳定性，延寿其使用寿命。该方法虽然改变了原始涂层Y元素的存在形式，但是其分布很不均匀，且在微结构上也不可控。
[0006]申请公布号CN102719782A公开了一种提高热障涂层粘结层耐氧化性能的处理方法，其采用了50
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200μs长脉宽、8
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18J/cm2高能密的电子束技术辐照等离子喷涂MCrAlY粘结层，降低了涂层表面粗糙度、减少了涂层的孔隙和孔洞，有效提高了涂层的耐氧化性能。但是该技术仅降低了涂层表面粗糙度，并形成了致密的熔化层，虽然对提高涂抗氧化性能具有一定作用，但是改性效果有限，由于脉宽较大、重熔时间较长，细晶效应以及元素调控效应均未提及。而对于MCrAlY系列粘结层来讲，服役温度越高，元素扩散越严重，其仍然存在
稀土元素聚集并形成氧化物由此导致粘结层抗高温氧化性下降的缺陷。

技术实现思路

[0007]基于上述技术问题，本专利技术提供了一种高服役寿命的热障涂层粘结层及其制备方法，通过短脉宽、低能量、多次数辐照的强流脉冲电子束技术来调控粘结层中稀土元素的分布形式，使得稀土元素形成稀土富集纳米分散颗粒，从而得到一种稀土元素以富集的纳米颗粒形式均匀分布的粘结层，由此克服了粘结层中稀土元素分布不均或容易以氧化物形式团聚而导致的抗氧化性不利的缺陷，对热障涂层抗高温氧化性能的提高具有重要的意义。
[0008]本专利技术提出的一种高服役寿命的热障涂层粘结层，所述粘结层为MCrAlY或MCrAlYX粘结层，且所述粘结层中稀土元素以富集的纳米颗粒形式均匀分布。
[0009]粘结层中稀土元素形成Al
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Y富集纳米颗粒，并均匀分布在涂层内部，其可以作为Al2O3的形核位点，有效促进氧化膜快速形成，并通过弥散分布的纳米“氧化物销钉”来锚住Al2O3，减小氧化膜褶皱，减缓氧化物生长速率，并避免Y等稀土元素的局部快速氧化，有效提高粘结层的热稳定性，延长热障涂层的高服役寿命。
[0010]优选地，所述MCrAlY或MCrAlYX粘结层中，M为Ni或Co中的一种，X为Ta、Si、Hf、Zr中的至少一种；优选地，X为Ta。
[0011]MCrAlYX粘结层中X为Ta时，不仅可以发挥“活性元素效应”，而且Ta元素以富集纳米颗粒形式均匀分布，获得性能更加优异的粘结层。
[0012]优选地，所述MCrAlY或MCrAlYX粘结层中，Y的含量至少为0.8wt％。
[0013]优选地，所述富集的纳米颗粒为Y
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Al富集纳米颗粒。
[0014]本专利技术还提出一种上述高服役寿命的热障涂层粘结层的制备方法，包括：在基体表面制备MCrAlY或MCrAlYX粘结层后，采用脉冲电子束工艺对MCrAlY或MCrAlYX粘结层进行辐照处理，消除MCrAlY或MCrAlYX粘结层中元素分布不匀的缺陷，使得所述粘结层中稀土元素以富集的纳米颗粒形式均匀分布，得到所述高服役寿命的热障涂层粘结层。
[0015]本专利技术中，强流脉冲电子束辐照后的MCrAlY或MCrAlYX粘结层表面会发生重熔，可以明显消除原始粘结层制备过程产生的表面粗糙以及微裂纹等缺陷，表面粗糙度降低，实现平整化，有利于高温氧化期间平整、厚度一致的TGO的形成，消除了应力集中区域；微观层面上，强流脉冲电子束辐照引发的重熔效应可以使得表面区域产生类似于淬火的改性状态，快速的重熔以及冷却过程(107‑9K/s)引发纳米晶的大量形成，伴随的应力也产生了丰富的微观缺陷，这为氧化阶段Al元素的选择性扩散提供了通道；更重要的是，重熔过程中电子束辐照引发的非平衡凝固过程可以实现对稀土元素分布及存在形式的调控，具体表现为：低次数电子束辐照改性后，电子束的能量注入导致粘结层表面发生重熔汽化，汽化成分中的稀土元素以及铝元素由于高温与高活性，在较低真空度下发生氧化，最终以稀土
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铝氧化物颗粒的形式再次沉积在涂层表面，这些再沉积颗粒显著地提高了涂层表面稀土元素含量；高次数下电子束辐照改性后，再沉积颗粒被反复重熔，并在快速冷却的过程中析出，形成重熔层内部密集分布的稀土富集纳米分散颗粒，实现稀土元素在深度上地均匀扩散；所获得的这种稀土富集纳米颗粒结构可以有效促进初始氧化阶段致密TGO的快速形成，并在后续氧化阶段形成稀土氧化物钉，显著提高TGO结合力，并降低其生长速率，使所得的粘结层具有非常优异的抗高温氧化性能，满足航空发动机热障涂层实际应用的需求。
[0016]本专利技术中通过抗高温氧化实验及热循环实验发现，利用脉冲电子束在粘结层表面调控的这一层稀土富集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高服役寿命的热障涂层粘结层，其特征在于，所述粘结层为MCrAlY或MCrAlYX粘结层，且所述粘结层中稀土元素以富集的纳米颗粒形式均匀分布。2.根据权利要求1所述高服役寿命的热障涂层粘结层，其特征在于，所述MCrAlY或MCrAlYX粘结层中，M为Ni或Co中的至少一种，X为Ta、Si、Hf、Zr中的至少一种；优选地，X为Ta。3.根据权利要求1或2所述高服役寿命的热障涂层粘结层，其特征在于，所述MCrAlY或MCrAlYX粘结层中，Y的含量至少为0.8wt％。4.根据权利要求1
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3任一项所述的高服役寿命的热障涂层粘结层，其特征在于，所述富集的纳米颗粒为Y
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Al富集纳米颗粒。5.一种权利要求1
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4任一项所述高服役寿命的热障涂层粘结层的制备方法，其特征在于，包括：在基体表面制备MCrAlY或MCrAlYX粘结层后，采用脉冲电子束工艺对MCrAlY或MCrAlYX粘结层进行辐照处理，消除MCrAlY或MCrAlYX粘结层中元素分布不匀的缺陷，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡杰，高杰，吕鹏，花银群，叶云霞，戴峰泽，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：