一種MCrAlY+AlSiY複合塗層及製備工藝的製作方法
2023-05-29 06:58:31 1
專利名稱：一種MCrAlY+AlSiY複合塗層及製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及高溫防護塗層技術，具體地說是一種MCrAIY+AISiY複合塗層及製備 方法。
背景技術：
MCrAlY(M = Ni， Co或Ni+Co)塗層在鎳基高溫合金的防護上取得良好的效果，而 且成分和厚度可按要求控制，滿足不同使用工況條件的要求，因此作為高溫防護塗層和熱 障塗層粘結底層已廣泛應用於燃氣輪機葉片的高溫防護。相關應用的文獻如①中國發明 專利，一種爆炸噴塗製備熱障塗層的方法，申請號01133423. 1 ;②中國發明專利，一種抗氧 化熱障塗層及製備方法，申請號02133193. 6 ;③中國發明專利，一種抗熱衝擊熱障塗層的 製備方法，申請號03133344. 3 ;④中國發明專利，一種NiCoCrAlYSiB抗熱腐蝕塗層及其制 備方法，申請號03111363. X ;等等。 多年來的研究表明，MCrAlY塗層中，Cr與Al是形成保護性氧化膜的元素，對於高 溫合金及高溫防護塗層部件，長時間的高溫氧化、腐蝕以及塗層與基體的元素互擴散導致 Al、 Cr元素被大量消耗，從而使塗層體系失效。因此，通過提高MCrAlY塗層內Al、 Cr的含 量可以有效地延長塗層使用壽命。但過高A1、 Cr含量會導致塗層脆性增加，熔點降低，不 利於塗層部件冷熱交替循環工作。採用梯度複合塗層的設計可以很好地解決這些問題。Cr 和A1梯度分布時，不會對力學性能產生很大影響。此外，梯度分布的設計還可以提高界面 結合，改善應力分布。
發明內容
為了延緩高溫防護塗層的退化，延長塗層的使用壽命，本發明的目的在於提供一 種外層富A1而內層富Cr的呈梯度分布的(MCrAIY+AISiY)複合塗層及其製備方法。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是 —種MCrAIY+AISiY複合塗層，在常規MCrAlY塗層上沉積AlSiY塗層，形成外層 富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層，該複合塗層表層Al元素濃度為18 22wt%，內層Cr元素濃度為28 45wt%。 本發明在電弧離子鍍(AIP，即Arc Ion Plating)方法沉積的常規MCrAlY塗層上 沉積AlSiY塗層，隨即採用真空擴散退火的方法來製備外層富Al而內層富Cr的呈梯度分 布的MCrAlY複合塗層。 所述常規MCrAlY塗層合金體系成分(即靶材合金成分)，按質量百分比為，Co : 0 40， Cr :15 40， Al :6 16， Y :0. 1 1， Si :0 2， B :0. 01 0. 03%， Ni :餘量。
所述MCrAlY+AlSiY複合塗層的具體製備方法為1)電弧離子鍍(AIP)製備常規 MCrAlY塗層；2)在常規MCrAlY塗層基礎上沉積AlSiY塗層；3)真空擴散退火，最終獲得外 層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層。 採用電弧離子鍍技術沉積常規MCrAlY塗層時，首先將真空室真空預抽至2X 10—3 IX 10—2pa，通入Ar氣，使真空室壓強升至5X 10—2 3X 10—中a ;然後對樣品進行 預濺射轟擊清洗，耙基距為230 250mm，脈衝偏壓為-800 -IOOOV，佔空比20 40%，時 間2 5min ;再沉積MCrAlY塗層，耙基距為230 250mm，弧電壓20 25V，弧電流50 70A，脈衝偏壓為-150 -300V,佔空比20 40% ，沉積溫度300 400°C ，塗層厚度為40 60 ii m。在常規MCrAlY塗層基礎上沉積AlSiY塗層時，按質量百分比計，AlSiY名義成分
(即靶材合金成分)為，Si :7 14%，Y :0 < Y《2%，A1 :餘量；沉積工藝參數同沉積常規
MCrAlY塗層，沉積的AlSiY塗層厚度為7 15iim。 將上述得到的MCrAlY+AlSiY複合塗層進行真空熱處理真空擴散退火，真空擴散 退火時，溫度為950 105(TC，保溫時間3 5h，升溫速率5 8°C /min，隨爐冷卻至室溫， 得到外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層。 沉積前，需對試樣進行預處理，將基材試樣打磨至Ra = 0. 4 ii m，採用60 220目 空心玻璃丸溼噴砂處理，隨即先後採用金屬洗滌劑、去離子水、丙酮超聲清洗15min，用酒精 漂洗後烘乾。 本發明具有以下優點 1.塗層使用壽命更長。與現有的常規MCrAlY高溫防護塗層相比，由於提高了塗層 表層Al源存儲相13 -NiAl的含量，在高溫氧化過程中可提供Al源支持表層氧化膜的生成 和修復，在熱腐蝕過程中，可犧牲掉表層的富Al層，依靠內層的富Cr層抵抗腐蝕，從而延長 塗層的使用壽命。 2.本發明所涉及MCrAlY塗層中，Al和Cr元素具有沿深度呈外層富Al而內層富 Cr的梯度分布的特點。 3.本發明可應用於Ni基高溫合金的防護。 4.採用本發明可以提高塗層抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能，並能有效地延長塗層使 用壽命。
圖1 (a)-(b)為105(TC退火前(a)和退火後(b)的(MCrAlY+AlSiY)複合塗層的截 面SEM形貌。 圖2為(MCrAlY+AlSiY)複合塗層退火後截面的元素麵分布圖。
圖3為IOO(TC退火後的(MCrAlY+AlSiY)複合塗層的截面SEM形貌。。
圖4為沿圖3中白線Al和Cr元素濃度分布圖。
具體實施例方式
下面通過實例對本發明作進一步詳細說明。
實施例1 基材採用Ni基高溫合金K465，其名義成分為(質量百分比)9. 75% Co，8. 75% Cr，5. 5% Al，2. 15% Ti， 1. 85% Mo， 10. 25% W， 1% Nb， Ni餘量，試樣尺寸為。15X1. 5mm2。 採用國產MIP-8-800型多弧離子鍍設備共沉積MCrAlY+AlSiY複合塗層。MCrAlY靶材成分
如下(質量百分比計)，Co :32 ;Cr :20 ;A1 :8 ;Y :0. 5 ;Si :1 ;B :0. 03， Ni :餘量。沉積前對試樣進行預處理，即將基材試樣打磨至Ra = 0. 4 m，採用200目空心玻璃丸溼噴砂處理， 隨即先後採用金屬洗滌劑、去離子水、丙酮超聲清洗15min，用酒精漂洗後烘乾備用。採用 MIP-8-800型電弧離子鍍設備沉積常規MCrAlY塗層，預抽真空至7X 10—3Pa，轟擊和沉積時 通入Ar氣，真空度為2X 10—屮a。對樣品進行預濺射轟擊清洗時，靶基距為240mm，脈衝偏 壓為-800V,佔空比33%，清洗時間5min ;沉積時弧電壓為20V，弧電流60 65A，脈衝偏壓 為-250V，佔空比33%，沉積溫度為35(TC，沉積時間為300min，獲得的常規MCrAlY塗層厚 度約為32iim。 繼續在常規MCrAlY塗層基礎上沉積AlSiY塗層，AlSiY耙材成分如下(質量百分 比計)Si :10 ;Y:1， Al :餘量。沉積AlSiY塗層工藝參數同沉積常規MCrAlY塗層，獲得的 AlSiY塗層厚度約為8 ii m。將MCrAlY+AlSiY複合塗層放入石英玻璃管內抽真空後充入Ar 氣保護，在馬弗爐中105(TC保溫4h，升溫速率為5°C /min，隨爐冷卻至室溫。
擴散退火前後塗層的截面形貌如圖l(a)-(b)所示。由圖l(a)-(b)可知，擴散退 火後，MCrAlY+AlSiY複合塗層表層厚度約25 y m，由P -NiAl及彌散分布的o -NiCoCr和 Cr3Si組成，內層厚度約15 ii m，由富Cr相及少量P -NiAl組成。 如圖2所示，由MCrAlY+AlSiY複合塗層退火後截面的元素麵分布圖可以看出退 火後，MCrAlY+AlSiY複合塗層形成了外層富Al、內層富Cr的梯度分布。
實施例2 與實施例1不同之處在於 基材採用定向凝固Ni基高溫合金DZ 125，其名義成分為(質量百分比計)10% Co，9% Cr，7% W，5% Al，2. 5% Ti，3. 5% Ta，C微量，Ni餘量。i式樣尺寸為15X10X1. 5mm3。 塗層沉積參數同實施例1。將MCrAlY+AlSiY複合塗層放入石英玻璃管內抽真空後充入Ar 氣保護，在馬弗爐中IOO(TC保溫5h，升溫速率為6°C /min，隨爐冷卻至室溫。
擴散退火前後塗層的截面形貌如圖3所示，由圖3可知，擴散退火後， MCrAlY+AlSiY複合塗層表層厚度約15iim，由P-NiAl和o-NiCoCr組成，Al含量約 20wt^，Cr含量約10wt%，內層厚度約22iim，由富Cr相組成，Al含量約6wt^，Cr含量約 30wt%。 圖4為沿塗層截面的Al、Cr元素分布圖，從中可以看出沿深度方向，A1含量具有 從高到低的梯度分布特徵，Cr元素具有從低到高的梯度分布特徵。 實施例結果表明，本發明通過電弧離子鍍沉積加真空擴散退火的方法，製備外層 富Al、內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層。與現有的常規MCrAlY高溫防護塗層相 比，本發明所涉及的這種MCrAlY+AlSiY複合塗層有效地提高了塗層表層中Al存儲相含量 和Si的含量，並在塗層內層形成了富Cr層，從而可以提高塗層抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能， 並能有效地延長塗層使用壽命。該複合塗層及其製備方法可應用於Ni基高溫合金的防護。
權利要求
一種MCrAlY+AlSiY複合塗層，其特徵在於在常規MCrAlY塗層上沉積AlSiY塗層，形成外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層，該複合塗層表層Al元素濃度為18～22wt％，內層Cr元素濃度為28～45wt％。
2. 按照權利要求1所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於，包括如下 步驟1) 電弧離子鍍製備常規MCrAlY塗層；2) 在常規MCrAlY塗層基礎上沉積AlSiY塗層；3) 真空擴散退火，最終獲得外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層。
3. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於，採用電弧 離子鍍技術沉積常規MCrAlY塗層時，首先將真空室真空預抽至2 X 10—3 1 X 10—2Pa，通入 Ar氣，使真空室壓強升至5X 10—2 3X 10—屮a ;然後對樣品進行預濺射轟擊清洗，耙基距為 230 250mm，脈衝偏壓為-800 -IOOOV，佔空比20 40% ，時間2 5min ;再沉積MCrAlY 塗層，耙基距為230 250mm，弧電壓20 25V，弧電流50 70A，脈衝偏壓為-150 -300V, 佔空比20 40% ，沉積溫度300 400°C ，塗層厚度為40 60 y m。
4. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於，所述常規 MCrAlY塗層合金體系成分，按質量百分比計，Co :0 40%， Cr :15 40%， Al :6 16%， Y :0. 1 1%， Si :0 2%， B :0. 01 0. 03%， Ni為餘量。
5. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於在常 規MCrAlY塗層基礎上沉積AlSiY塗層時，沉積工藝參數同沉積常規MCrAlY塗層，沉積的 AlSiY塗層厚度為7 15iim。
6 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於所述 AlSiY塗層合金體系成分，按質量百分比計，Si :7 14%， Y :0 < Y《2%，A1 :餘量。
7. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於，將得到的 MCrAlY+AlSiY複合塗層進行真空熱處理真空擴散退火，真空擴散退火時，溫度為950 105(TC，保溫時間3 5h，隨爐冷卻至室溫，得到外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的 MCrAlY複合塗層。
8. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY複合塗層的製備工藝，其特徵在於，沉積前需 對試樣進行預處理，將基材試樣打磨至Ra = 0. 4 m，採用60 220目空心玻璃丸溼噴砂處 理，隨即先後採用金屬洗滌劑、去離子水、丙酮超聲清洗15min，用酒精漂洗後烘乾。
全文摘要
本發明涉及高溫防護塗層技術，具體地說是一種MCrAlY+AlSiY複合塗層及製備方法。在常規MCrAlY塗層上沉積AlSiY塗層，再通過真空擴散退火的方法，形成外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層，該複合塗層表層Al元素濃度為18～22wt％，內層Cr元素濃度為28～45wt％。本發明通過電弧離子鍍沉積加真空擴散退火的方法，製備外層富Al、內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY複合塗層。與現有的常規MCrAlY高溫防護塗層相比，本發明所涉及的這種MCrAlY+AlSiY複合塗層有效地提高了塗層表層中Al存儲相含量和Si的含量，並在塗層內層形成了富Cr層，從而可以提高塗層抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能，並能有效地延長塗層使用壽命。該複合塗層及其製備方法可應用於Ni基高溫合金的防護。
文檔編號C09D1/00GK101724301SQ20081022809
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者劉山川, 姜肅猛, 孫超, 宮駿, 彭新, 徐朝政, 王啟民, 鮑澤斌 申請人:中國科學院金屬研究所