一种长寿命燃气轮机热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种长寿命燃气轮机热障涂层及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种长寿命燃气轮机热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术实施例涉及热障涂层
，具体涉及一种长寿命燃气轮机热障涂层及其制备方法
。

技术介绍

[0002]热障涂层是提高燃气轮机热端部件服役温度以及提升其耐久性的最有效技术手段，也是先进燃气轮机不可或缺的关键技术之一
。
典型的热障涂层由6％～8％
Y2O3部分稳定
ZrO2陶瓷顶层
、MCrAlY(M
＝
Ni
或
Co
或
Ni&Co)
粘结层组成
。
[0003]热障涂层的主要失效形式为陶瓷层的剥落，其中粘结层界面有害氧化物的形成是陶瓷层剥落的最主要原因
。
热障涂层在高温服役过程中，
MCrAlY
粘结层中的
Al
元素会优先被氧化，在界面生成致密
、
氧扩散系数较低的
α
‑
Al2O3膜
。
随着粘结层中
Al
元素逐渐被消耗，粘结层和陶瓷层界面
Al
元素将供应不足，而导致粘结层中的
Ni、Co、Cr
向界面扩散并形成疏松多孔的
Cr2O3，
NiO
和
Ni(Cr,Al)2O4等有害氧化物相
。
这些有害氧化物会破界面
α
‑
Al2O3膜的完整性削弱使界面的抗抗氧化性能力，且其较高的生长速率会极易在界面造成体积膨胀而加速裂纹的萌生，最终导致陶瓷层的剥落
。
[0004]由于基体与粘结层各元素含量的浓度差异，热障涂层在高温服役过程中粘结层与基体之间将发生元素互扩散行为
。
该互扩散行会使基体表面中的
γ
相退化为
γ
′
相，造成基体的抗蠕变断裂性能的损伤
。
同时，基体与粘结层之间的
Al
浓度梯度会导致
Al
元素的内扩散，该过程会加剧粘结内部
Al
元素的损耗，使界面
Al
元素供应不足无法形成致密的
α
‑
Al2O3膜，造成界面有害氧化物相的提前生成而缩短涂层的服役寿命
。
[0005]在基体与粘结层之间引入阻挡扩散层是抑制元素互扩散的重要方式，常见的阻挡扩散层的类型包括粘结层表面镀
Pt
，以及基体和粘结层之间喷涂
Co/Cr
金属层
、YSZ
层等
。
该阻挡扩散层同时也可减缓粘结层中
Al
的贫化速率，这有助于陶瓷层和粘结层之间形成稳定的
α
‑
Al2O3膜，从而延长热障涂层服役寿命
。
阻挡扩散层的引入可以有效提高涂层的服役寿命，但是这些技术手段也存在一定的技术上缺陷导致无法大规模的工业应用，如镀
Pt
技术成本太高；而
Co/Cr
金属层
、YSZ
层与基体和粘结层之间成分差异过大，存在热膨胀系数不匹配的问题，会额外的增加层间热应力导致热障涂层服役寿命的下降
。
[0006]基体的成分也会影响元素互扩散行为，进而影响粘结层和陶瓷层界面的氧化速率
。
在镍基合金适当的添加稀土元素
(Re)
合金
(Re
为
Ta、Mn、W、Hf
等元素
)
可显著提升金属基体的力学特性，是作为燃气轮机热端部件的良好材料
。
同时，研究发现相比传统镍基合金，
Al
元素在
Re
合金中扩散速率更慢，可有效缓解粘结层中
Al
元素的内扩散造成的
Al
的损失，因此在基体中添加
Re
合金的热障涂层体系表现出更长的服役寿命，基体因元素互扩散造成损伤区域也更小
。
[0007]Re
合金虽然性能优异，但是
Re
合金的价格是传统镍基合金的两倍以上，大量的使用
Re
合金会显著增加燃气轮机的制造成本，且大量使用
Re
合金存在焊接性能的下降的问题，不利于热端部件的加工
。

技术实现思路

[0008]针对以上技术缺陷，本专利技术结合阻挡扩散层以及
Re
合金的优势，提出一种长寿命燃气轮机热障涂层的制备方法
。
本专利技术在金属基体和粘结层之间设置
Re
合金层，
Re
合金层的引入可有效抑制基体与粘结层之间的元素互扩，缓解粘结层中
Al
元素的内扩散造成的
Al
的损失而提高涂层的抗氧化性能，同时也避免了大规模使用
Re
合金带来的成本过高以及加工性能下降的问题
。
该热障涂涂层方式成本较低，提升热障涂层服役寿命效果显著，有良好的工业应用前景
。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：
[0010]根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种长寿命燃气轮机热障涂层，所述热障涂层包括由内至外依次设置在金属基体上的
Re
合金层
、
粘结层和陶瓷层
。
[0011]进一步地，所述
Re
合金层的原材料为粒径8～
40
μ
m
的
Re
合金粉末；和
/
或，
[0012]所述
Re
合金层的厚度为
100
～
200
μ
m。
[0013]进一步地，所述粘结层的材料为
MCrAlY
，其中，
M
＝
Ni
或
Co
或
Ni&Co
；和
/
或，
[0014]所述粘结层的厚度为
100
～
150
μ
m。
[0015]进一步地，所述陶瓷层的材料为
8YSZ
，厚度为
400
～
500
μ
m。
[0016]进一步地，所述金属基体的材料为镍基合金，作为示例，如燃机热端部件常用的镍基合金
DZ125、DZ411、K452
等
。
[0017]根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种如上所述的长寿命燃气轮机热障涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0018](1)
采用超音速火焰喷涂在基体表面制备
Re
合金层；
[0019](2)
采用大气等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种长寿命燃气轮机热障涂层，其特征在于，所述热障涂层包括由内至外依次设置在金属基体上的
Re
合金层
、
粘结层和陶瓷层
。2.
根据权利要求1所述的长寿命燃气轮机热障涂层，其特征在于，所述
Re
合金层的原材料为粒径8～
40
μ
m
的
Re
合金粉末；和
/
或，所述
Re
合金层的厚度为
100
～
200
μ
m。3.
根据权利要求1所述的长寿命燃气轮机热障涂层，其特征在于，所述粘结层的材料为
MCrAlY
，其中，
M
＝
Ni
或
Co
或
Ni&Co
；和
/
或，所述粘结层的厚度为
100
～
150
μ
m。4.
根据权利要求1所述的长寿命燃气轮机热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层的材料为
8YSZ
，厚度为
400
～
500
μ
m。5.
根据权利要求1所述的长寿命燃气轮机热障涂层，其特征在于，所述金属基体的材料为镍基合金
。6.
权利要求1所述的长寿命燃气轮机热障涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)
采用超音速火焰喷涂在金属基体表面制备
Re
合金层；
(2)
采用大气等离子喷涂在
Re
合金层表面制备粘结层；
(3)
采用大气等离子喷涂在粘结层表面制备陶瓷层
。7.
根据权利要求6所述的长寿命燃气轮机热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，超音速火焰喷涂的工艺参数为：空气压力为
0.5
～
1.2MPa
，燃料压力为
0.6
～
1.5MPa

【专利技术属性】
技术研发人员：于海原，孙健，颜开，郭宇威，刘广华，孟庆颜，邬雅靓，应宇茜，李振瑞，余志勇，李占青，刘伟，
申请(专利权)人：中国联合重型燃气轮机技术有限公司，
类型：发明
国别省市：