採用多弧離子鍍製備以Cr²AlC為主相的高溫防護塗層的方法

2023-07-24 20:57:16

專利名稱：採用多弧離子鍍製備以Cr2 AlC為主相的高溫防護塗層的方法
技術領域：
本發明涉及高溫防護塗層的製備技術，特別提供了一種採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的新型高溫防護塗層的方法。
背景技術：
Cr2AlC由於同時具有良好的抗高溫氧化和抗 熱腐蝕性能以及與合金相匹配的熱膨脹係數(Cr2AlC在30-1200° C溫度範圍的熱膨脹係數為13. 3X KT6IT1),從而在高溫防護塗層領域具有潛在的應用前景。到目前為止，採用磁控濺射技術可以製備Cr2AlC塗層。對磁控濺射製備的Cr2AlC塗層進行高溫氧化實驗表明，由於氧化過程中最外層連續、緻密的Al2O3氧化膜的生成，Cr2AlC塗層可以有效的改善 6242以及M38G高溫合金的抗氧化性能。但是，由於利用濺射的方法所製備的塗層厚度較薄以及塗層中存在大量柱狀晶晶界，在氧化的過程中塗層會發生嚴重的退化，從而導致塗層抗氧化性能的下降。其次，為了獲得晶態的Cr2AlC塗層，沉積溫度必須高於450° C。由於高溫臺的使用，使得磁控濺射沉積效率大大降低，成本增加。因此，如何提高Cr2AlC的沉積速率，同時消除塗層中的柱狀晶結構，成為實現Cr2AlC塗層工業化應用的一個重要的方向。不同於磁控濺射，多弧離子鍍通過陰極弧斑使靶材局部蒸發並離化，這種方法具有入射離子能量高、塗層的緻密性好和沉積速率高等優點。但是，目前還沒有關於利用這種方法製備Cr2AlC塗層的相關報導。

發明內容
本發明的目的在於提出一種利用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的新型高溫防護塗層Cr-Al-C塗層的方法，解決現有技術在氧化的過程中塗層會沿柱狀晶晶界發生內氧化，導致塗層抗氧化性能的下降，以及現有的Cr2AlC塗層製備成本高且無法實現大規模生
產等問題。本發明的技術方案如下一種採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層的方法，具體步驟如下I)靶材的選擇採用燒結的塊體Cr2AlC作為靶材；或者，以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 I. I I. 2 :0. 9 I. 2混合粉作為初始原料，經熱壓製成的緻密塊體作為靶材。該種Cr-Al-C靶材的製備方法為選用Cr、Al和石墨粉作為原料粉，原料粉經過球磨20 24小時，以5 20MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時間為5 30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護氣的熱壓爐中升溫至900 1100° C原位反應10 60分鐘。在原位反應同時進行熱壓，熱壓壓力為20 40MPa，合成緻密的塊體陶瓷材料。2)製備工藝實驗過程中，所採用的背底真空為I X 10_3Pa_3X 10_3Pa，將預先處理好的基體材料進行反濺清洗3-10min後即可開始塗層的製備。塗層製備過程中，所選用的Ar氣流量為20 40SCCM，工作氣壓為O. 2 O. 6Pa，沉積溫度為室溫，靶材電流為50 70A。在該種工藝條件下，塗層沉積速率達到O. 3-0. 5 μ m/min。隨後，將沉積得到的樣品在Ar氣氣氛中經620° C 650° C退火處理10 20h，即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層。採用本方法製備的Cr-Al-C塗層中的主相為結晶良好的三元層狀陶瓷Cr2AlC15此夕卜，還伴隨著AlCr2和Cr7C3的出現，塗層中主相Cr2AlC約佔60_70wt. %。本發明的特點是I、本發明的工藝簡單、塗層製備成本低，直接採用單個燒結的塊體作為靶材在室溫下沉積。2、本發明通過多弧離子鍍和後續的退火處理相結合的方法，製備得到了以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層。 3、利用本發明方法製備的Cr-Al-C塗層比較緻密且沉積速率高。4、利用本發明方法製備的Cr-Al-C塗層具有良好的高溫抗氧化能力，在1000° C空氣中氧化的過程中，可以提高M38G高溫合金的抗氧化性能。


圖I靶材電流為60A時(a)沉積態和(b)退火後的Cr-Al-C塗層的XRD結果。圖2靶材電流為60A時(a)沉積態和(b)退火處理後Cr-Al-C塗層的SEM表面形貌圖。圖3靶材電流為60A時(a)沉積態和(b)退火處理後Cr-Al-C塗層的SEM截面形貌圖。圖4退火處理後的Cr-Al-C塗層和M38G高溫合金在1000° C空氣中氧化20h的動力學曲線。圖5靶材電流為70A時(a)沉積態和(b)退火後的Cr-Al-C塗層的XRD結果。圖6採用Cr，Al和石墨元素粉在1000° C熱壓燒結的緻密的塊體作為在靶材，在電流為70A得到的塗層經620° C退火20h後的Cr-Al-C塗層的XRD結果。
具體實施例方式下面通過實施例詳述本發明。實施例I採用多弧離子鍍方法，同時以採用原位燒結/固液反應製備的塊體Cr2AlC作為靶材在室溫下沉積製備了 Cr-Al-C塗層。塗層製備過程中總的背底真空為2X 10_3Pa、Ar氣流量為40SCCM、工作氣壓為O. 4Pa、施加在靶材上的電流為60A、沉積時間為15min，在不同的基體上可以製備得到非晶的Cr-Al-C塗層。所製備的塗層經620°C Ar氣保護下退火20h即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層，同時還伴隨著AlCr2和Cr7C3的生成。本實施例中，主相Cr2AlC的含量約佔69wt. %。沉積態和退火後的Cr-Al-C塗層的X-射線衍射圖譜列於附圖1，由圖I可以看出沉積所得到的塗層呈現非晶態，經過620° C退火後，塗層發生了晶化。晶化後得到的塗層中以Cr2AlC為主相。
圖2分別為沉積態和退火後Cr-Al-C塗層的SEM表面形貌圖。沉積態和退火後的Cr-Al-C塗層表面比較光滑、緻密且沒有裂紋的存在。圖3分別為沉積態和退火後的Cr-Al-C塗層的SEM截面形貌圖。沉積態和退火後的Cr-Al-C塗層保持完整緻密，塗層厚度約為6 μ m。圖4為退火處理後的Cr-Al-C塗層和M38G高溫合金在1000° C空氣中氧化20h的動力學曲線。在氧化8h後，退火後的Cr-Al-C塗層具有較小的氧化增重(AW/A)，可以改善M38G高溫合金的抗氧化性能。實施例2採用多弧離子鍍方法，同時以採用原位燒結/固液反應製備的塊體Cr2AlC作為靶材在室溫下沉積製備了 Cr-Al-C塗層。塗層製備過程中總的背底真空為2X 10_3Pa、Ar氣流量為40SCCM、工作氣壓為O. 4Pa、施加在靶材上的電流為70A、沉積時間為15min。在不同的基體上可以製備得到非晶的Cr-Al-C塗層，所製備的塗層經620°C Ar氣保護下退火20h 即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層，同時還伴隨著AlCr2和Cr7C3的生成。本實施例中，主相Cr2AlC的含量約佔67wt. %。相應的沉積態和退火後的Cr-Al-C塗層的X-射線衍射圖譜列於附圖5，塗層厚度約為7. 5μπι。實施例3採用多弧離子鍍方法，同時以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 :1. I I. 2 :
O.9 I. 2混合粉作為初始原料，經熱壓製成的緻密塊體作為靶材在室溫下沉積製備了Cr-Al-C塗層選用Cr、Al和石墨粉作為原料粉，原料粉經過球磨20 24小時，以10 15MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時間為15 20分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體Ar作為保護氣的熱壓爐中升溫至950 1000° C原位反應30 40分鐘；在原位反應同時進行熱壓，熱壓壓力為25 30MPa，合成緻密的塊體陶瓷材料，作為Cr-Al-C靶材。塗層製備過程中背底真空為2X 10_3Pa、Ar氣流量為40SCCM、工作氣壓為O. 4Pa、施加在靶材上的電流為70A、沉積時間為15min。在不同的基體上可以製備得到非晶的Cr-Al-C塗層。所製備的塗層經620°C Ar氣保護下退火20h即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層，同時還伴隨著AlCr2和Cr7C3的生成。本實施例中，主相Cr2AlC的含量約佔61wt. %。退火後的Cr-Al-C塗層的X-射線衍射圖譜列於附圖6，塗層厚度約為7 μ m。實施例結果表明，本發明方法以燒結的Cr2AlC塊體材料作為靶材；或者以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 :1. I I. 2 :0. 9 I. 2混合粉作為初始原料，經熱壓製成的緻密塊體作為靶材。利用多弧離子鍍技術和後續的退火處理，即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層。這種方法具有製備成本低、工藝簡單、沉積速率快等優點，為實現大規模的工業化沉積Cr2AlC塗層奠定了基礎。
權利要求
1.一種採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的高溫防護塗層的方法，其特徵在於，具體步驟如下 1)靶材的選擇 採用燒結的塊體Cr2AlC作為靶材；或者，以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 I. I I. 2 :0. 9 I. 2混合粉作為初始原料，經熱壓製成的緻密塊體作為Cr-Al-C靶材； 2)製備工藝 塗層製備過程中，所選用的Ar氣流量為20 40SCCM，工作氣壓為O. 2 O. 6Pa，沉積溫度為室溫，靶材電流為50 70A ;隨後，將沉積得到的樣品在Ar氣氣氛中經620° C 650° C退火處理10 20h，即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C高溫防護塗層。
2.按照權利要求I所述的採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的高溫防護塗層的方法，其特徵在於，Cr-Al-C高溫防護塗層中的主相為結晶良好的三元層狀陶瓷Cr2AlC,還伴隨著AlCr2和Cr7C3的出現；其中，主相Cr2AlC的含量為60_70wt. %。
3.按照權利要求I所述的採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的高溫防護塗層的方法，其特徵在於，Cr-Al-C靶材的製備方法為選用Cr、Al和石墨粉作為原料粉，原料粉經過球磨20 24小時，以5 20MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時間為5 30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護氣的熱壓爐中升溫至900 1100° C原位反應10 60分鐘；在原位反應同時進行熱壓，熱壓壓力為20 40MPa，合成緻密的塊體陶瓷材料，作為Cr-Al-C 靶材。
4.按照權利要求I所述的採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的高溫防護塗層的方法，其特徵在於，實驗過程中，所採用的背底真空為I X 10_3Pa-3 X 10 ,將預先處理好的基體材料進行反濺清洗3-10min後即可開始塗層的製備。
5.按照權利要求I所述的採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的高溫防護塗層的方法，其特徵在於，在該種工藝條件下，塗層沉積速率達到O. 3-0. 5 μ m/min。
全文摘要
本發明涉及高溫防護塗層的製備技術，特別提供了一種採用多弧離子鍍製備以Cr2AlC為主相的新型高溫防護塗層的方法。採用原位固液相反應/熱壓方法合成的塊體Cr2AlC作為靶材;或者以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為21.1～1.20.9～1.2混合粉作為初始原料，經熱壓製成的緻密塊體作為靶材。在背底真空為2×10-3Pa、Ar氣流量為20～40SCCM、工作氣壓為0.2～0.6Pa、施加在靶材上的電流為50～70A的條件下，在不同的基體上可以製備得到非晶的Cr-Al-C塗層。所製備的塗層經620°C～650°C、Ar氣保護下退火10～20h即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C塗層。這種方法具有製備成本低、工藝簡單、沉積速率高的優點，解決了現有的Cr2AlC塗層製備成本高且無法實現大規模生產的問題。
文檔編號C23C14/32GK102899612SQ201210352858
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者李美栓, 李靜靜, 劉智謀, 錢餘海, 徐敬軍 申請人:中國科學院金屬研究所