Diffusion barrier coating system concept for high temperature applications (2011)

The diffusion barrier coating (DBC) system was designed to suppress the interdiffusion between alloy substrate and coatings in addition to ensuring slow oxide growth at high temperatures. In this report, the concept of the DBC system will be introduced, and the results obtained for various heat resistant alloys are presented. In this DBC system, the σ-phase of the Re–Cr–Ni system was selected as the barrier and was formed by electroplating Re–Ni and Ni films from aqueous solutions, followed by Cr and/or Al pack cementations. A typical DBC system consists of Ni based superalloy/triple σ-Re based alloy layer/γ′-Ni3Al and/or β-NiAl (with or without Pt addition)/α-Al2O3. It was found that the DBC system maintained its structure for long time exposures because the σ-phase has tielines with the γ and γ′ alloy substrate and the γ′ and/or β coating. The σ-Re based alloy can suppress both the inward Al diffusion and the outward diffusion of alloying elements. The DBC system was successfully applied to various heat resistant alloys such as Ni–Mo and Fe–Cr–Ni based alloys, and these alloys with the DBC system were creep deformed slowly under external applied stresses. A simultaneous diffusion coating process for Al and Hf was developed using Hf+NH4Cl+Al2O3 pack cementation. To obtain reliable and long life coatings, the combination of alloy substrate, coating and external scale should be considered as a total system, to optimise oxidation resistance, structural stability and mechanical properties.Le système de revêtement à barrière de diffusion (système DBC) a été conçu pour supprimer la diffusion entre le matériau de base de l’alliage et les revêtements, en plus d’assurer une croissance lente de l’oxyde à hautes températures. Dans ce rapport, on introduit le concept du système DBC et l’on présente les résultats obtenus pour divers alliages résistants à la chaleur. Dans ce système DBC, on a choisi la phase s du système Re-Cr-Ni comme barrière et celle-ci est formée par électrogalvanisation de films de Re-Ni et de Ni à partir de solutions aqueuses, suivie par cémentation solide de Cr et/ou d’Al. Un système DBC typique consiste en un superalliage à base de Ni / une couche triple d’alliage à base de Re-s / Ni3Al-g’ et/ou NiAl-b (avec ou sans addition de Pt) / Al2O3-a. On a trouvé que le système DBC maintenait sa structure pendant de longues périodes d’exposition grâce aux lignes de jonction de la phase s avec le g et le g’ du matériau de base de l’alliage et avec le g’ et/ou le b du revêtement. L’alliage à base de Re-s peut supprimer tant la diffusion de l’Al vers l’intérieur que la diffusion vers l’extérieur des éléments d’alliage. On a appliqué avec succès le système DBC à divers alliages résistants à la chaleur comme les alliages à base de Ni-Mo et de Fe-Cr-Ni. Ces alliages avec le système DBC ont été lentement déformés par fluage sous des contraintes externes. On a développé un procédé de revêtement par diffusion simultanée de l’Al et du HF en utilisant la cémentation solide avec le Hf+NH4Cl+Al2O3. Afin d’obtenir des revêtements fiables et de longue durée, on doit considérer comme un système total la combinaison du matériau de base de l’alliage, du revêtement et de la couche externe, afin d’optimiser la résistance à l’oxydation, la stabilité structurelle et les propriétés mécaniques.