单晶合金表面双层结构粘结层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种单晶合金表面双层结构粘结层及其制备方法，单晶合金表面双层结构粘结层包括一单晶合金基体以及一双层结构粘结层，双层结构粘结层包括一粘结层底层及一粘结层顶层，粘结层底层形成于单晶合金基体表面，厚度为50～80μm，包含Ni、Cr、Al及Y，Al在粘结层底层所占重量比为4～6％，粘结层顶层形成于粘结层底层相对于单晶合金基体的另一表面，厚度为50～80μm，包含Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf及Si，Al在粘结层顶层所占重量比为11～13％，粘结层底层及粘结层顶层的厚度比为8:2～6:4。本发明专利技术可以降低涂层对合金疲劳性能的影响，提高合金表面涂层抗高温氧化性能和合金高温持久寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单晶合金表面双层结构粘结层及其制备方法，更具体的是利用超音速火焰喷涂工艺制备单晶合金表面双层结构粘结层的方法。
技术介绍
现代燃气涡轮发动机由于追求更高热效率或推重比，涡轮前温度不断提高，目前先进燃气涡轮发动机涡轮前温度已经高达1400℃，即使使用先进的冷却结构设计技术，高压涡轮叶片表面温度也超过了合金使用温度，必须使用热障涂层技术对叶片进行防护。热障涂层(Thermal Barrier Coating，TBC)是利用陶瓷材料优异的耐高温、隔热、抗腐蚀性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相双层的一种高温结构材料表面防护技术。热障涂层的使用会显著提高航空发动机高温热端部件工作温度，提高热端部件使用寿命，从而提高燃气涡轮发动机热效率。由于涡轮前温度的不断提高，高压涡轮叶片材料已经从定向凝固合金发展至先进的单晶高温合金，第二代先进单晶高温合金已经在国内外的先进燃气涡轮发动机中获得了应用。单晶合金表面热障涂层当使用包覆型MCrAlY(M:Ni，Co或Ni和Co)粘结层时，当服役温度达到1000℃以上时，合金和涂层之间会发生严重的互扩散，粘结层中的Al元素会扩散至合金中，使粘结层表面形成致密氧化膜的Al元素浓度下降，不能持续提供氧化消耗，降低粘结层抗氧化性能和由于Ni、Cr等选择氧化提高氧化膜脆性，进而降低热障服役寿命。单晶高温合金中W、Mo、Ta及Re等元素向外扩散至粘结层内部和表面，影响粘结层的机械性能和粘结层表面氧化膜完整性，降低热障服役寿命；Al元素扩散至合金基体的表层，由于成分的变化会导致有害TCP相的析出和二次反应区(SRZ)的形成，降低合金的疲劳性能。更为严重的是，越先进的单晶合金的抗高温氧化腐蚀性能会逐步下降(参考文献：Kyoko Kawagishi,Hiroshi Harada,Akihiro Sato,Atsushi Sato,and Toshiharu Kobayashi.(2006).“The Oxidation Properties of
Fourth Generation Single-Crystal Nickel-Based Superalloys.”JOM,58(1):43-46)，必须使用热障涂层或高温抗氧化涂层进行防护；而涂层制备过程中对单晶合金表面会产生应力变化和MCrAlY/单晶合金高温下互扩散带来的成分变化，会促进SRZ区域的形成、TCP相的生长和单晶合金表面胞状再结晶的形成，会极大的降低单晶合金的力学性能。目前在先进单晶合金表面制备金属粘结层，需要对涂层体系和制备工艺体系进行优化，是目前国际的研究热点。主要方法有：(1)在合金表面制备贵金属、难熔金属或陶瓷阻扩散层，如Hf、Pt、RuNiAl、Ir-Ta、TiN或CrN等等，难熔金属或贵金属及其合金的成本较高，陶瓷阻扩散层较脆影响界面结合；(2)使用难熔金属或贵金属对粘结层进行改性，如Pt、Pd、Ta、Ru、Re等元素添加；(3)调控粘结层组织和成分，使其组织和合金接近，界面元素浓度达到相对平衡，抑制互扩散。上述方法的共同特性是成本较高，粘结层成分和性能调控复杂，或阻扩散层对界面结合性能产生影响。因此，如何开发一种单晶合金表面粘结层，使其可以解决上述现有技术中存在的缺陷，即成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术涉及一种单晶合金表面双层结构粘结层及其制备方法，使其可以降低成本。为实现上述目的，本专利技术提供一种单晶合金表面双层结构粘结层，用以涂覆在一单晶合金基体表面，该单晶合金表面双层结构粘结层包括：一粘结层底层(NiCrAlY粘结层底层)，形成于该单晶合金基体表面，该粘结层底层包含Ni(镍)、Cr(铬)、Al(铝)及Y(钇)，其中Al在该粘结层底层所占重量比为4～6％；及一粘结层顶层(NiCoCrAlYHfSi粘结层顶层)，形成于该粘结层底层相对于该单晶合金基体的另一表面，该粘结层顶层包含Ni(镍)、Co(钴)、Cr(铬)、Al(铝)、Y(钇)、Hf(铪)及Si(硅)，其中Al在该粘结层顶层所占重量比为11～13％；其中，该粘结层底层的厚度为50～80μm，该粘结层顶层的厚度为20～35μm，该粘结层底层及该粘结层顶层的厚度比为8:2～6:4。其中，该双层结构粘结层为使用超音速火焰喷涂工艺制备。其中，该粘结层底层的成分为：以总重量100％计，24～26％的Cr，4～6％的Al，0.4～0.7％的Y，其余为Ni。其中，该粘结层顶层的成分为：以总重量100％计，20～24％的Co，15～18％的Cr，11～13％的Al，0.1～1％的Y，0.1～0.5％的Hf，0.1～0.5％的Si，其余为Ni。本专利技术还提供一种单晶合金表面双层结构粘结层的制备方法，该方法使用超音速火焰喷涂工艺(HVOF)，包括如下步骤：1)备一单晶合金基体，该单晶合金基体表面使用0.1～0.15MPa压力进行喷砂处理；2)在该单晶合金基体上以超音速火焰喷涂工艺制备一粘结层底层(NiCrAlY粘结层底层)，该粘结层底层包含Ni(镍)、Cr(铬)、Al(铝)及Y(钇)，其中Al在该粘结层底层所占重量比为4～6％，并该粘结层底层的厚度为50～80μm；3)在该粘结层底层上以与步骤2)相同的超音速火焰喷涂工艺制备一粘结层顶层(NiCoCrAlYHfSi粘结层顶层)，该粘结层顶层包含Ni(镍)、Co(钴)、Cr(铬)、Al(铝)、Y(钇)、Hf(铪)及Si(硅)，其中Al在该粘结层顶层所占重量比为11～13％，并该粘结层顶层的厚度为20～35μm，该粘结层底层及该粘结层顶层的厚度比为8:2～6:4。其中，该粘结层底层的成分为：以总重量100％计，24～26％的Cr，4～6％的Al，0.4～0.7％的Y，其余为Ni。其中，该粘结层顶层的成分为：以总重量100％计，20～24％的Co，15～18％的Cr，11～13％的Al，0.1～1％的Y，0.1～0.5％的Hf，0.1～0.5％的Si，其余为Ni。其中，于步骤1)中，具体操作可以采用如下方式：准备一单晶合金基体材料，使用无水丙酮清洗，再使用吸入式喷砂机在0.1～0.15Mpa喷砂气体压力下对该单晶合金基体材料的待喷涂面进行喷砂粗化处理，随后使用压缩空气吹
尽表面残留砂粒并再次使用无水丙酮清洗，得一单晶合金基体，将该单晶合金基体安装在工装上，待喷涂。其中，于步骤1)前，还包括备好该粘结层底层及该粘结层顶层的原料，将其制备成粒度范围适合超音速火焰喷涂的粉末；于步骤1)后，还包括将干燥的粘结层底层粉末放入超音速火焰喷涂设备的送粉器中。其中，于步骤2)和步骤3)中，该超音速火焰喷涂工艺的喷涂工艺参数为：氧气流量38-45m3/h，煤油流量16-20m3/h，载气流量0.4～0.8m3/h，送粉量40～80g/min，喷枪摆动速率500～1000mm/s。该超音速火焰喷涂工艺可以使用氧-煤油超音速火焰喷涂设备来进行。其中，在步骤2)和步骤3)喷涂之前，还包括在无送粉状态下使用超音速火焰均匀预热单晶合金基体表面至100～150℃。其中，于步骤2)之后，还包括停止送粉，将超音速火焰喷涂设备的送粉器中的粘结层底层粉末更换为粘结层顶层粉末。其中，于步骤3)之后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单晶合金表面双层结构粘结层，用以涂覆在一单晶合金基体表面，其特征在于，该单晶合金表面双层结构粘结层包括：一粘结层底层，形成于该单晶合金基体表面，该粘结层底层包含Ni、Cr、Al及Y，其中Al在该粘结层底层所占重量比为4～6％；及一粘结层顶层，形成于该粘结层底层相对于该单晶合金基体的另一表面，该粘结层顶层包含Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf及Si，其中Al在该粘结层顶层所占重量比为11～13％；其中，该粘结层底层的厚度为50～80μm，该粘结层顶层的厚度为20～35μm，该粘结层底层及该粘结层顶层的厚度比为8:2～6:4。

【技术特征摘要】
1.一种单晶合金表面双层结构粘结层，用以涂覆在一单晶合金基体表面，其特征在于，该单晶合金表面双层结构粘结层包括：一粘结层底层，形成于该单晶合金基体表面，该粘结层底层包含Ni、Cr、Al及Y，其中Al在该粘结层底层所占重量比为4～6％；及一粘结层顶层，形成于该粘结层底层相对于该单晶合金基体的另一表面，该粘结层顶层包含Ni、Co、Cr、Al、Y、Hf及Si，其中Al在该粘结层顶层所占重量比为11～13％；其中，该粘结层底层的厚度为50～80μm，该粘结层顶层的厚度为20～35μm，该粘结层底层及该粘结层顶层的厚度比为8:2～6:4。2.根据权利要求1所述的单晶合金表面双层结构粘结层，其特征在于，该粘结层底层的成分为：以总重量100％计，24～26％的Cr，4～6％的Al，0.4～0.7％的Y，其余为Ni。3.根据权利要求1或2所述的单晶合金表面双层结构粘结层，其特征在于，该粘结层顶层的成分为：以总重量100％计，20～24％的Co，15～18％的Cr，11～13％的Al，0.1～1％的Y，0.1～0.5％的Hf，0.1～0.5％的Si，其余为Ni。4.一种单晶合金表面双层结构粘结层的制备方法，其特征在于，该方法使用超音速火焰喷涂工艺，包括如下步骤：1)备一单晶合金基体，该单晶合金基体表面使用0.1～0.15MPa压力进行喷砂处理；2)在该单晶合金基体上以超音速火焰喷涂工艺制备一粘结层底层，该粘结层底层包含Ni、Cr、Al及Y，其中Al在该粘结层底层所占重量比为4～6％，并该粘结层底层的厚度为50～80μm；以及3)在该粘结层底层上以与步骤2)相同的超音速火焰喷涂工艺制备一...

【专利技术属性】
技术研发人员：何箐，邹晗，马林，吕玉芬，汪瑞军，
申请(专利权)人：中国农业机械化科学研究院，北京金轮坤天特种机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11