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CN104651835B - 一种燃气轮机叶片复合涂层 - Google Patents

一种燃气轮机叶片复合涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机叶片复合涂层，包括依次涂覆在作为高温合金基体的燃气轮机叶片上的MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层。本发明纳米晶层比常规MCrAlY层具有更好的抗高温氧化能力，并且处于中间位置的NiAl层作为Al的储备层，可以为MCrAlY层和纳米晶层提供额外的Al元素，避免纳米晶层由于形成氧化铝膜引起的铝元素缺失，同时也可以防止由于MCrAlY层因为氧和金属离子的扩散引起的相变和导致的热障涂层脱落。在所述纳米晶层的表面上涂覆热障涂层，即由所述MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层构成的复合涂层作为热障涂层的粘结层。用以提高热障涂层的粘结力并提高叶片的抗高温氧化性能。

Description

一种燃气轮机叶片复合涂层
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机叶片复合涂层，可用做燃气轮机静叶片和动叶片的抗高温氧化包覆涂层或者热障涂层的粘结层，能够提高高温合金叶片的抗高温氧化性能。
背景技术
我国经济快速发展对于电力的需求不断增加，但现在大量使用的燃煤蒸汽轮机存在效率低并且高污染等一系列问题。近几年不断恶化的环境污染特别是日益严重的雾霾天气，使得用高效联合循环燃气轮机替代传统蒸汽轮机变得更为迫切。而作为燃气轮机核心部件的叶片通常需要工作在高温高应力环境下，所以用来制造燃机叶片的高温合金材料需要具有高的抗高温蠕变等优异高温力学性能，同时又具有出色的抗高温腐蚀(氧化)性能。然而，为了提高材料的高温力学强度，往往需要在合金中添加钨、钼、钒等固溶强化型合金元素，同时减少铝等抗高温腐蚀的元素材料，因此很难制备出同时具有高的高温力学性能和抗高温腐蚀的合金材料。作为解决办法，在高温合金表面可以制备抗高温氧化腐蚀的涂层用以保护具有优秀高温力学性能的高温合金基体材料。
目前用于燃气轮机叶片高温氧化保护的涂层主要是MCrAlY包覆涂层，或者是以MCrAlY作为粘结层的热障涂层体系。MCrAlY在高温下可以在表面形成Cr2O3、Al2O3等多种氧化物构成的薄膜，从而阻挡氧和金属离子的扩散，起到延缓和保护高温合金基体材料高温氧化的作用。然而，由于形成的氧化物薄膜由多种氧化物组成，导致氧化物薄膜不够致密甚至不连续，从而不能非常有效的阻挡氧和金属离子的扩散。而氧和金属离子的扩散会引起MCrAlY中Al的缺失，会引起涂层从富铝的β相(NiAl)到γ’相(Ni3Al)和镍基γ相的相变，这将进一步引起MCrAlY层产生褶皱状分布，加速其上面喷涂的热障涂层的剥离和失效。
针对MCrAlY复合氧化物薄膜不够致密的问题，发展出来通过溅射等方法制备纳米晶涂层作为燃气轮机叶片高温氧化保护的涂层，由于涂层的晶粒小于1微米，所以大量的晶界为铝和氧提供了快速扩散的通道和形核中心，所以可以在很短的时间内在纳米晶层的表面形成一层连续致密的单一α-Al2O3膜，可以更好的阻挡后续氧和金属离子的扩散。然而，因为纳米晶层在表面形成氧化铝膜时会引起铝元素的缺失，从而影响纳米晶层的结构稳定性。另外，如果表面α-Al2O3膜被破坏，也缺乏足够的铝元素再次形成氧化膜保护层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有很好的高温氧化保护性能且可避免热障涂层过早剥离和失效的燃气轮机叶片复合涂层。
本发明的上述目的通过以下的技术措施来实现：一种燃气轮机叶片复合涂层，其特征在于：包括依次涂覆在作为高温合金基体的燃气轮机叶片上的MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层。
本发明MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层均为现有技术。MCrAlY层：M指Ni或Co或NiCo的组合，一般成分范围(质量百分数)：M(10～30Cr)(5～15Al)(0.5～1Y)，剩余为Ni或Co或NiCo组合；NiAl层成分(质量百分数)：Ni50Al；纳米晶层的成分和基体高温合金的成分一致。
本发明纳米晶层比常规MCrAlY层具有更好的抗高温氧化能力，并且处于中间位置的NiAl层作为Al的储备层，可以为MCrAlY层和纳米晶层提供额外的Al元素，避免纳米晶层由于形成氧化铝膜引起的铝元素缺失，同时也可以防止由于MCrAlY层因为氧和金属离子的扩散引起的相变和导致的热障涂层脱落。
本发明所述MCrAlY层的厚度为100～200微米。
作为本发明的一种实施方式，所述MCrAlY层通过在高温合金基体表面进行低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂制备得到。
本发明所述NiAl层的厚度为20～50微米。
作为本发明的一种实施方式，所述纳米晶层的成分与高温合金基体的成分相同，所述纳米晶层通过在NiAl层上由溅射工艺制备得到，纳米晶层的表面可形成单一致密的α-Al2O3膜，能够保护下面的MCrAlY层和高温合金基体免于高温氧化。
本发明所述纳米晶层的厚度是20～50微米。
作为本发明的一种改进，在所述纳米晶层的表面上涂覆热障涂层，即由所述MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层构成的复合涂层作为热障涂层的粘结层。用以提高热障涂层的粘结力并提高叶片的抗高温氧化性能。
本发明所述热障涂层的厚度是100～300微米。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明纳米晶层的表面可形成单一致密的α-Al2O3膜，相比于常规MCrAlY层作为燃气轮机叶片高温氧化保护的涂层，具有更好的高温氧化保护性能，能够保护下面的MCrAlY层和高温合金基体免于高温氧化。
⑵本发明NiAl层作为Al的储备层，可以为MCrAlY层和纳米晶层提供多余的Al元素而避免铝元素缺失，不仅可以提高纳米晶层的稳定性和α-Al2O3膜的可修复型，而且还可以避免因为MCrAlY层相变引起的热障涂层过早剥落失效。
⑶本发明不仅可以用做燃气轮机静叶片和动叶片的抗高温氧化包覆涂层，也可以用做热障涂层的粘结层，用以提高热障涂层的粘结力并提高叶片的抗高温氧化性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1的原理示意图；
图3是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例以三菱燃机使用的MGA1400高温合金叶片作为高温合金基体1，其具体成分(重量百分比)如下：
元素 Co Cr Mo W Al Ti Ta C Zr
wt％ 10 14 1.5 4 4 3 5 0.08 0.03
(表1)
如图1、2所示，是本发明一种燃气轮机叶片复合涂层，包括依次涂覆在作为高温合金基体1的MGA1400高温合金叶片上的MCrAlY层2、NiAl层3和纳米晶层4。MCrAlY层的厚度为100～200微米，MCrAlY层在高温合金基体1表面进行通过低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂制备得到。NiAl层的厚度为20～50微米，纳米晶层4的成分与高温合金基体1的成分相同，纳米晶层4通过在NiAl层上由溅射工艺制备得到，纳米晶层的厚度是20～50微米。
本发明的原理是：参见图2，纳米晶层4的成分与高温合金基体1的成分相同，在纳米晶层4的表面形成单一致密的α-Al2O3膜41，可有效阻挡氧和金属离子的扩散，具有更好的高温氧化保护性能，能够保护下面的MCrAlY层和高温合金基体免于高温氧化。NiAl层作为Al的储备层，可以为MCrAlY层和纳米晶层提供多余的Al元素而避免铝元素缺失，不仅可以提高纳米晶层的稳定性和α-Al2O3膜的可修复型，而且还可以避免因为MCrAlY层相变引起的热障涂层过早剥落失效。
本发明的制备过程如下：
⑴首先对MGA1400高温合金叶片按照要求进行热处理和表面喷丸等处理，以使其表面质量符合要求。
⑵处理好的高温合金叶片通过低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂制备厚度为100～200微米的MCrAlY层，M选择Ni，Co等元素，在本实施例中，具体选用NiCoCrAlY层。
⑶在MCrAlY层表面通过低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂制备厚度为20～50微米的NiAl层。
⑷使用真空磁控溅射仪，在NiAl层上制备厚度为20～50微米的纳米晶层，纳米晶层的成分与高温合金基体的成分一致。溅射参数为：电压650～800V，氩气压0.08～0.20Pa，基体温度200～400度。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：对于前两级的高温合金叶片，为了降低工作温度，保护叶片基体金属材料，还需要在纳米晶层4的表面上通过等离子喷涂工艺制备ZrO2基热障陶瓷涂层5，即由MCrAlY层2、NiAl层3和纳米晶层4构成的复合涂层作为ZrO2基热障涂陶瓷层5的粘结层，ZrO2基热障陶瓷涂层5的厚度是100～300微米，此时的复合涂层用以提高热障涂层的粘结力并提高叶片的抗高温氧化性能。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃气轮机叶片复合涂层，其特征在于：包括依次涂覆在作为高温合金基体的燃气轮机叶片上的MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层；所述纳米晶层的成分与高温合金基体的成分相同，所述纳米晶层通过在NiAl层上由溅射工艺制备得到，纳米晶层的表面形成单一致密的α-Al2O3膜，保护下面的MCrAlY层和高温合金基体免于高温氧化，同时NiAl层作为Al的储备层，为MCrAlY层和纳米晶层提供额外的Al元素；所述MCrAlY层的厚度为100～200微米；所述NiAl层的厚度为20～50微米；所述纳米晶层的厚度是20～50微米；在所述纳米晶层的表面上涂覆热障涂层，即由所述MCrAlY层、NiAl层和纳米晶层构成的复合涂层作为热障涂层的粘结层；所述热障涂层的厚度是100～300微米。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片复合涂层，其特征在于：所述MCrAlY层通过在高温合金基体表面进行低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂制备得到。
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