应用于热障涂层的多层粘结层材料及其制备方法

1.本发明属于热障涂层材料技术领域，具体涉及应用于热障涂层的多层粘结层材料，本发明还涉及应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法。


背景技术：

2.涡轮叶片被广泛应用于汽车发动机、航空发动机、船用发动机及燃气轮机等领域。由于涡轮叶片工作时所承受的温度高于涡轮叶片所用镍基合金材料的熔点，所以降低叶片温度或提升叶片的承温能力已成为迫切需要解决的关键问题。
3.目前工业界及学术界主要通过在涡轮叶片表面喷涂具有热防护作用的热障涂层来提高涡轮叶片的服役温度。现有热障涂层主要由两部分构成：外侧具有热防护作用的ysz(y2o3稳定的zro2)陶瓷层；内侧起到粘结外侧陶瓷层和涡轮叶片基体的金属粘结层，或称过渡层，目前粘结层主要有mcraly(m为co和/或ni)和ni(pt)al两种材料。由于热障涂层的服役环境为高温氧化性气氛，在服役过程中一方面这两种粘结层材料均会发生氧化，氧化初期生成具有保护作用的al2o3氧化膜，但随着氧化进程的发展，粘结层内侧由于氧化消耗al和al向基体内的扩散而发生al的贫化，进而使得粘结层中的cr和co向外扩散并氧化生成不具备保护性作用的混合氧化层，导致粘结层抗氧化性降低或发生氧化动力学转折；另一方面，由于粘结层和单晶镍基合金基体之间存在元素差异，高温下会发生粘结层和基体间的元素互扩散，即粘结层中的al元素向基体内扩散，基体中的ni元素向粘结层中扩散，进而导致粘结层中al的贫化以及基体中脆性的tcp(拓扑密堆相)相的生成，严重影响基体的力学性能。在服役环境中粘结层抗氧化性的降低以及与镍基合金基体间发生的元素互扩散行为已经成为涡轮叶片表面热障涂层失效的两个最关键因素，是热障涂层领域嗜待解决的关键问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供应用于热障涂层的多层粘结层材料，能够同时提高粘结层的抗氧化性并抑制粘结层与单晶镍基合金基体间的元素互扩散行为。
5.本发明的另一目的是提供应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法。
6.本发明所采用的技术方案是，应用于热障涂层的多层粘结层材料，包括依次设置的最内侧的γ-γ’双相层、中间γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层，最外侧的β-nial层。
7.本发明所采用的另一技术方案是，应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
8.步骤1、对单晶镍基合金表面依次进行预处理及离子刻蚀；
9.步骤2、在处理后的单晶镍基合金材料表面喷涂γ-γ’双相层；
10.步骤3、在步骤2中的γ-γ’双相层外侧喷涂纳米厚度的γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层；
11.步骤4、在步骤3中多层复合层的外层喷涂β-nial层，即得。
12.本发明另一技术方案的特点还在于：
13.步骤1中预处理具体为：对单晶镍基合金进行打磨、抛光，最后再进行超声清洗，使合金表面呈镜面。
14.步骤1中离子刻蚀的具体条件包括：电流90a，真空腔内充入ar气，气压为0.3pa，气体流量为100-300sccm，温度为350℃，刻蚀时间为20-25min。
15.步骤2中在喷涂γ-γ’双相层过程中仅开启nicocral靶，喷涂过程中电流为50-100a，真空腔内充入ar气，气压为0.1-0.5pa，气体流量为150-300sccm，喷涂温度为350-450℃，喷涂时长为0.5-3h，该γ-γ’双相层的厚度为5-15μm。
16.nicocral靶材中各元素的质量分数分别为：al：5-8％，cr：3-7％，co：5-10％，余量为ni。
17.步骤3中喷涂多层复合层的过程中同时开启nicocral靶和nial靶。
18.nial靶材中各元素的原子分数分别为：al：49.5-50.5％，ni：49.5-50.5％，稀土：0.05-1％，以上各组分的原子分数百分比之和为100％。
19.步骤3在喷涂过程中，电流为50-100a，真空腔内充入ar气，气压为0.1-0.5pa，气体流量为150-300sccm，喷涂温度为350-450℃，喷涂时长为3-10h，该多层复合层的厚度为20-60μm。
20.步骤4中在喷涂过程中关闭nicocral靶，仅开启nial靶，喷涂过程中的电流为50-100a，真空腔内充入ar气，气压为0.1-0.5pa，气体流量为150-300sccm，喷涂温度为350-450℃，喷涂时长为0.5-3h，该β-nial层的厚度为5-15μm。
21.本发明的有益效果是：
22.(1)本发明应用于热障涂层的多层粘结层材料，采用多层复合粘结层的设计，可同时提高粘结层的抗氧化性能以及抑制粘结层与单晶镍基合金基体间的元素互扩散行为。其中多层复合粘结层的最外侧的β-nial层起到抗氧化作用，最内侧的γ-γ’双相层起到抑制扩散屏蔽作用，而中间的纳米多层复合层起到粘结作用，提高粘结层的力学强度；
23.(2)本发明采用多弧离子镀方法制备该多层复合粘结层，同时在样品架两侧装配nicocral和nial两种靶材，在喷涂过程中样品架一直旋转，通过不同靶材的开启来实现不同粘结层的喷涂。该制备方法简单，成本低，耗时少，制备效率高。
附图说明
24.图1是本发明应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法的流程图；
25.图2是本发明应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法中喷涂过程示意图；
26.图3是本发明实施例1制备的应用于热障涂层的多层粘结层材料结构示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.应用于热障涂层的多层粘结层材料，包括依次设置的最内侧的γ-γ’双相层、中间γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层，最外侧的β-nial层。
29.应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
30.步骤1、对单晶镍基合金表面依次进行预处理及离子刻蚀；
31.预处理具体为：对单晶镍基合金进行打磨、抛光，最后再进行超声清洗，使合金表面呈镜面且光洁；
32.离子刻蚀的具体条件包括：电流90a，真空腔内充入ar气，气压为0.3pa，气体流量为100-300sccm，温度为350℃，刻蚀时间为20-25min；
33.对抛光和清洗后的样品表面进行离子刻蚀，去除由于抛磨所引入的表面残余应力层；
34.步骤2、将处理后的单晶镍基合金材料表面喷涂γ-γ’双相层；
35.在喷涂γ-γ’双相层过程中仅开启高纯nicocral靶，喷涂过程中电流为50-100a，真空腔内充入ar气，气压为0.1-0.5pa，气体流量为150-300sccm，喷涂温度为350-450℃，喷涂时长为0.5-3h，该γ-γ’双相层的厚度为5-15μm；
36.nicocral靶材中各元素的质量分数分别为：al：5-8％，cr：3-7％，co：5-10％，余量为ni；
37.步骤3、在步骤2中的γ-γ’双相层外侧喷涂纳米厚度的γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层；
38.喷涂过程中同时开启nicocral靶和nial靶，nial靶材中各元素的原子分数分别为：al：49.5-50.5％，ni：49.5-50.5％，稀土：0.05-1％，以上各组分的原子分数百分比之和为100％，nial靶材中包含不限于y、hf和dy等稀土元素；
39.喷涂过程中电流为50-100a，真空腔内充入ar气，气压为0.1-0.5pa，气体流量为150-300sccm，喷涂温度为350-450℃，喷涂时长为3-10h，该多层复合层的厚度为20-60μm；
40.步骤4、在所述步骤3中多层复合层的外层喷涂β-nial层，即得；
41.喷涂过程中关闭nicocral靶，仅开启nial靶，喷涂过程中的电流为50-100a，真空腔内充入ar气，气压为0.1-0.5pa，气体流量为150-300sccm，喷涂温度为350-450℃，喷涂时长为0.5-3h，该β-nial层的厚度为5-15μm。
42.本发明制备的应用于热障涂层的多层粘结层材料，内侧γ-γ’双相层、中间多层纳米复合层和最外侧β-nial层，在粘结层内侧设计γ-γ’双相层的同时在粘结层的最外侧设计β-nial层，可以极大提高粘结层的抗氧化性，防止粘结层在氧化过程中发生氧化动力学转折，最内侧γ-γ’双相层中仅添加ni、co、cr、al四种元素，不添加难熔金属元素和稀土元素一方面可以降低粘结层的成本，另一方面可以促进基体内的难熔金属元素如mo、w、re等向粘结层内部扩散，以在一定程度上降低基体内难熔金属元素的含量，抑制基体内tcp相的生成，防止基体的力学性能降低。
43.实施例1
44.应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
45.步骤1、对单晶镍基合金表面依次进行预处理及离子刻蚀；
46.对单晶镍基合金样品进行打磨、抛光，最后再进行超声清洗，使合金表面呈镜面且光洁，然后进行离子刻蚀，去除由于抛磨所引入的表面残余应力层，离子刻蚀的具体条件包括：电流90a，真空腔内充入ar气，气压为0.3pa，气体流量为100sccm，温度为350℃，刻蚀时间为20min。
47.步骤2、将处理后的单晶镍基合金材料表面喷涂γ-γ’双相层；
48.在喷涂过程中仅开启nicocral靶，喷涂过程中电流为50a，真空腔内充入ar气，气压为0.1pa，气体流量为150sccm，喷涂温度为350℃，喷涂时长为0.5h，γ-γ’双相层的厚度为5μm；
49.nicocral靶材中各元素的质量分数分别为：al：5％，cr：3％，co：5％，余量为ni。
50.步骤3、在步骤2中的γ-γ’双相层外侧喷涂纳米厚度的γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层；
51.喷涂多层复合层的过程中同时开启nicocral靶和nial靶，nial靶材中各元素的原子分数分别为：al：49.5％，ni：49.5％，y：0.5％，hf:0.5％；
52.喷涂过程中电流为50a，真空腔内充入ar气，气压为0.1pa，气体流量为150sccm，喷涂温度为350℃，喷涂时长为3h，该多层复合层的厚度为20μm。
53.步骤4、在步骤3中多层复合层的外层喷涂β-nial层，即得；
54.在喷涂过程中关闭nicocral靶，仅开启nial靶，喷涂过程中的电流为50a，真空腔内充入ar气，气压为0.1pa，气体流量为150sccm，喷涂温度为350℃，喷涂时长为0.5h，该β-nial层的厚度为5μm。
55.本实施例对制备所得的多层粘结层体系在1050℃的空气环境中保温1000h，结果显示粘结层最外侧氧化生成单相致密的al2o3层，未生成混合氧化物相，该al2o3层具有优异的保护作用，在al2o3层内侧的粘结层中未出现明显的al贫化现象，单晶合金基体中未发现拓扑密堆相的生成。这证明本发明中的多层粘结层既具有优异的抗氧化性，又可以有效抑制粘结层与单晶合金基体之间的元素互扩散行为。
56.实施例2
57.应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
58.步骤1、对单晶镍基合金表面依次进行预处理及离子刻蚀；
59.对单晶镍基合金样品进行打磨、抛光，最后再进行超声清洗，使合金表面呈镜面且光洁，然后进行离子刻蚀，去除由于抛磨所引入的表面残余应力层，离子刻蚀的具体条件包括：电流90a，真空腔内充入ar气，气压为0.3pa，气体流量为200sccm，温度为350℃，刻蚀时间为20min。
60.步骤2、将处理后的单晶镍基合金材料表面喷涂γ-γ’双相层；
61.在喷涂过程中仅开启nicocral靶，喷涂过程中电流为100a，真空腔内充入ar气，气压为0.5pa，气体流量为300sccm，喷涂温度为450℃，喷涂时长为3h，γ-γ’双相层的厚度为15μm；
62.nicocral靶材中各元素的质量分数分别为：al：8％，cr：7％，co：10％，余量为ni。
63.步骤3、在步骤2中的γ-γ’双相层外侧喷涂纳米厚度的γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层；
64.喷涂多层复合层的过程中同时开启nicocral靶和nial靶，nial靶材中各元素的原子分数分别为：al：49.5％，ni：50％，y：0.5％；
65.喷涂过程中电流为100a，真空腔内充入ar气，气压为0.5pa，气体流量为300sccm，喷涂温度为450℃，喷涂时长为10h，该多层复合层的厚度为60μm。
66.步骤4、在步骤3中多层复合层的外层喷涂β-nial层，即得；
67.在喷涂过程中关闭nicocral靶，仅开启nial靶，喷涂过程中的电流为100a，真空腔
内充入ar气，气压为0.5pa，气体流量为300sccm，喷涂温度为450℃，喷涂时长为3h，该β-nial层的厚度为15μm。
68.本实施例对制备所得的多层粘结层体系在1050℃的空气环境中保温1000h，结果显示粘结层最外侧氧化生成单相致密的al2o3层，未生成混合氧化物相，该al2o3层具有优异的保护作用，在al2o3层内侧的粘结层中未出现明显的al贫化现象，单晶合金基体中未发现拓扑密堆相的生成。这证明本发明中的多层粘结层既具有优异的抗氧化性，又可以有效抑制粘结层与单晶合金基体之间的元素互扩散行为。
69.实施例3
70.应用于热障涂层的多层粘结层材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
71.步骤1、对单晶镍基合金表面依次进行预处理及离子刻蚀；
72.对单晶镍基合金样品进行打磨、抛光，最后再进行超声清洗，使合金表面呈镜面且光洁，然后进行离子刻蚀，去除由于抛磨所引入的表面残余应力层，离子刻蚀的具体条件包括：电流90a，真空腔内充入ar气，气压为0.3pa，气体流量为200sccm，温度为350℃，刻蚀时间为23min。
73.步骤2、将处理后的单晶镍基合金材料表面喷涂γ-γ’双相层；
74.在喷涂过程中仅开启nicocral靶，喷涂过程中电流为100a，真空腔内充入ar气，气压为0.4pa，气体流量为250sccm，喷涂温度为400℃，喷涂时长为2h，γ-γ’双相层的厚度为12μm；
75.nicocral靶材中各元素的质量分数分别为：al：7％，cr：6％，co：8％，余量为ni。
76.步骤3、在步骤2中的γ-γ’双相层外侧喷涂纳米厚度的γ-γ’层和β-nial层交替排布的多层复合层；
77.喷涂多层复合层的过程中同时开启nicocral靶和nial靶，nial靶材中各元素的原子分数分别为：al：50％，ni：49.5％，dy：0.5％；
78.喷涂过程中电流为80a，真空腔内充入ar气，气压为0.4pa，气体流量为280sccm，喷涂温度为400℃，喷涂时长为8h，该多层复合层的厚度为50μm。
79.步骤4、在步骤3中多层复合层的外层喷涂β-nial层，即得；在喷涂过程中关闭nicocral靶，仅开启nial靶，喷涂过程中的电流为100a，真空腔内充入ar气，气压为0.5pa，气体流量为300sccm，喷涂温度为400℃，喷涂时长为2.5h，该β-nial层的厚度为12μm。
80.本实施例对制备所得的多层粘结层体系在1050℃的空气环境中保温1000h，结果显示粘结层最外侧氧化生成单相致密的al2o3层，未生成混合氧化物相，该al2o3层具有优异的保护作用，在al2o3层内侧的粘结层中未出现明显的al贫化现象，单晶合金基体中未发现拓扑密堆相的生成。这证明本发明中的多层粘结层既具有优异的抗氧化性，又可以有效抑制粘结层与单晶合金基体之间的元素互扩散行为。
81.本发明制备的应用于热障涂层的多层粘结层材料，可同时提高粘结层的抗氧化性能以及抑制粘结层与单晶镍基合金基体间的元素互扩散行为，具有更优异的性能，本发明的制备方法所采用的多弧离子镀方法沉积多层复合粘结层能够有效降低工艺复杂性，提高喷涂效率。