CN100545310C - 一种高温合金防护涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温合金防护涂层，其特征在于：所述涂层为由金属粉弥散分布在搪瓷基体上形成的金属与搪瓷复合涂层；其中：金属粉选择具有较高的热膨胀系数和良好的抗高温腐蚀能力的MCrAlY体系粉末，M选自以下三者之一或其某种组合：Ni、Co、NiCo。一种如上所述高温合金防护涂层的制备方法：首先将金属粉与搪瓷粉充分混合，然后将混合粉末喷涂于试样表面，然后高温烧结制备出由金属粉弥散分布在搪瓷基体上的金属-搪瓷复合涂层。本发明制备的金属-搪瓷复合涂层不仅具有优异的抗高温腐蚀性能，同时由于塑性金属粉末的加入显著提高了涂层的热膨胀系数，大大提高了涂层的热震性能。
Description
技术领域：
本发明涉及金属的高温防护技术，特别提供了一种通过将金属粉末弥散分布在搪瓷基体中制备出新型的金属与搪瓷复合涂层来提高高温合金高温防护性能的方法以及高温合金防护涂层。
背景技术：
现有技术中，先进的结构设计和叶片冷却技术，高性能的高温合金和涂层防护系统的发展都通过提高燃气涡轮的进气口温度而提高了航空发动机的效率和功率。通常，高温防护涂层除了要求提供优异的抗高温氧化和腐蚀能力外，还要求其具有长期的结构和化学稳定性以及与基体良好的结合力。传统的高温防护涂层有扩散涂层(如渗铝涂层)和合金包覆涂层(如MCrAlY涂层)两大类。这些涂层展现出优异的与基体相容性，通过在服役中涂层表面形成的稳定的保护性氧化膜而对基体合金提供防护。但是这些涂层由于在使用过程中氧化膜的生长以及涂层与基体间的互扩散引起了涂层中Al含量的下降，从而导致了涂层的退化，大大降低了涂层的防护性能。与传统的金属类涂层相比，惰性氧化物涂层由于具有更高的热化学稳定性以及优异的腐蚀抗力，作为另外一类有前景的高温防护涂层而日益受到人们的关注。这类涂层在使用过程中涂层本身不会被氧化，从而避免了涂层退化问题。它们作为一种腐蚀屏障将腐蚀介质与基体合金分离从而有效地抑制了基体合金的腐蚀。但是由于这类氧化物涂层存在的本质脆性严重降低了涂层的热震寿命，制约了这类涂层的实际应用。因此，如果可以结合金属类涂层和惰性氧化物涂层的优点，从而制备一种新型的性能优异的高温合金防护涂层将会具有重要的实际意义。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种高温合金防护涂层，具有良好的热震性能的同时可以极大地提高高温合金的抗高温腐蚀的能力。
本发明一种高温合金防护涂层，其特征在于：其为由金属粉弥散分布在搪瓷基体上形成的金属与搪瓷复合涂层；其中：
金属粉的粒径可以具有均匀尺寸，也可以在一定范围内分布；金属粉优选为具有较高的热膨胀系数和良好的抗高温腐蚀能力的MCrAlY体系粉末，M选自以下三者之一或其某种组合：Ni、Co、NiCo；
MCrAlY体系粉末的重量百分比含量范围在30～70％，优选范围是55～65％。MCrAlY体系粉末的粒径范围在0.1μm～15μm。
所述高温合金防护涂层中搪瓷基体选择软化点在600～900℃，优选范围是800～900℃；搪瓷基体热膨胀系数范围在8.0×10-6K-1～12.0×10-6K-1。
所述高温合金防护涂层中，金属与搪瓷复合涂层的总厚度范围为10～100μm，优选范围是15～50μm。
本发明一种如上所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：首先将金属粉与搪瓷粉充分混合，然后将混合粉末喷涂于试样表面，然后高温烧结制备出由金属粉弥散分布在搪瓷基体上的金属-搪瓷复合涂层；金属粉选择具有较高的热膨胀系数和良好的抗高温腐蚀能力的MCrAlY体系粉末，其中：M选自以下三者之一或其某种组合：Ni、Co、NiCo。
金属粉的粒径可以具有均匀尺寸，也可以在一定范围内分布。
所述高温合金防护涂层的制备方法中，高温烧结制备复合涂层时的烧结温度范围是：800～1100℃，优选范围是900～1000℃；时间范围是10～60min，优选范围是30～60min。
所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：将金属粉与搪瓷粉充分混合后，通过压缩空气喷涂于试样表面，压缩空气气压控制在0.2～0.7MPa。优选内容如下：所述高温合金防护涂层的制备方法中，将金属粉与搪瓷粉充分混合后，将混合粉末通过压缩空气喷涂于带粘结层的试样表面；粘结层选择MCrAlY涂层，其中：M选自以下三者之一或其某种组合：Ni、Co、NiCo。
所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：金属-搪瓷复合涂层中搪瓷基体选择软化点在600～900℃，热膨胀系数范围在8.0×10-6K-1～12.0×10-6K-1；MCrAlY体系粉末在金属粉与搪瓷粉的混合总量中的所占的重量百分比含量在30～70％；MCrAlY体系粉末的粒径在0.1μm～15μm；所制备的金属与搪瓷复合涂层的总厚度范围为10～100μm。
本发明的优点：制备了具有优异热震性能和抗高温腐蚀性能的金属-搪瓷复合涂层。复合涂层采用搪瓷作为基体，搪瓷在高温烧结时可以形成十分致密的结构，有效的抑制了腐蚀性介质向基体的侵入，显著提高了基体的抗高温氧化及热腐蚀的能力；金属粉具有良好的塑性，作为第二相分布于搪瓷基体中，有效提高了复合涂层的热膨胀系数搪瓷基体的高温性能，减小了搪瓷与粘结层间热膨胀系数的差异，大大提高了复合涂层的热震性能。
附图说明
图1为带粘结层的高温合金施加金属-搪瓷复合涂层的结构示意图；
图2为带粘结层的K38G高温合金施加搪瓷涂层1000℃热震38次后表面显微形貌；
图3为带粘结层的K38G高温合金施加搪瓷涂层1000℃热震38次后的截面显微形貌；
图4为带粘结层的K38G高温合金施加金属-搪瓷复合涂层1000℃热震100次后表面显微形貌；
图5为带粘结层的K38G高温合金施加金属-搪瓷复合涂层1000℃热震100次后截面显微形貌；
图6为K38G高温合金施加NiCoCrAlY涂层和金属-搪瓷复合涂层1000℃氧化动力学；
图7为K38G高温合金施加NiCoCrAlY涂层1000℃氧化100小时截面显微形貌；
图8为带粘结层的K38G高温合金施加金属-搪瓷复合涂层1000℃氧化100小时截面显微形貌。
具体实施方式：
比较例1：在带粘结层的K38G高温合金上施加搪瓷涂层热震实验
样品铸态K38G。尺寸为15mm×10mm×3mm。在带粘结层的样品上喷涂搪瓷粉，搪瓷粉的软化点850℃，热膨胀系数10.0×10-6K-1。1000℃烧结30分钟制备一层厚度为20μm厚的搪瓷涂层。1000℃热震实验(1000℃保温10分钟后迅速淬入20℃水中为一个循环)初期涂层即发生大面积剥落，热震38次后涂层失效(参见图2、3)。
实施例1：在带粘结层的K38G高温合金上施加金属与搪瓷复合涂层热震实验
样品铸态K38G。尺寸为15mm×10mm×3mm。在带粘结层的样品上喷涂60％(重量百分比)，粒径在0.1-15μm分布的MCrAlY-搪瓷复合粉。MCrAlY的成分为Ni-25Co-20Cr-8Al-4Ta-0.6Y(重量百分比)。搪瓷的软化点大约850℃，热膨胀系数在10.0×10-6K-1。1000℃烧结30分钟制备一层厚度为20μm厚的金属-搪瓷复合涂层。1000℃热震实验100次，涂层未发生明显的剥落，表现出优异的热震性能(参见图4、5)。
比较例2：K38G高温合金施加NiCoCrAlY涂层高温氧化实验
样品铸态K38G。尺寸为15mm×10mm×3mm。在样品基体合金上使用电弧离子镀法制造一层NiCoCrAlY、厚度为20μm。在1000℃氧化，涂层增重较大(参见图6)，边角处有剥落，100小时后涂层发生了退化(参见图7)。
实施例2：在带粘结层的K38G高温合金上施加金属-搪瓷复合涂层高温氧化实验
样品铸态K38G。尺寸为15mm×10mm×3mm。在带粘结层的样品上喷涂60％(重量百分比)，粒径在0.1-15μm分布的MCrAlY-搪瓷复合粉。MCrAlY的成分为Ni-25Co-20Cr-8Al-4Ta-0.6Y(重量百分比)。搪瓷的软化点大约850℃，热膨胀系数在10.0×10-6K-1。1000℃烧结30分钟制备一层厚度为20μm厚的金属-搪瓷复合涂层。1000℃氧化，涂层增重比电弧离子镀制备的MCrAlY涂层小(参见图6)，氧化100小时后涂层依然保持完整(参见图8)，显著的提高了基体的高温氧化性能。
Claims (8)
1、一种高温合金防护涂层，其特征在于：所述涂层为由金属粉弥散分布在搪瓷基体上形成的金属与搪瓷复合涂层；其中：金属粉选择具有较高的热膨胀系数和良好的抗高温腐蚀能力的MCrAlY体系粉末，M选自以下三者之一：Ni、Co、NiCo；
MCrAlY体系粉末在金属粉与搪瓷粉的混合总量中的所占的重量百分比含量在30～70％；MCrAlY体系粉末的粒径在0.1μm～15μm。
2、按照权利要求1所述高温合金防护涂层，其特征在于：金属-搪瓷复合涂层中搪瓷基体选择软化点在600～900℃，热膨胀系数范围在8.0×10-6K-1～12.0×10-6K-1。
3、按照权利要求1或2所述高温合金防护涂层，其特征在于：金属与搪瓷复合涂层的总厚度范围为10～100μm。
4、一种如权利要求1所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：首先将金属粉与搪瓷粉充分混合，然后将混合粉末喷涂于试样表面，然后高温烧结制备出由金属粉弥散分布在搪瓷基体上的金属-搪瓷复合涂层；金属粉选择具有较高的热膨胀系数和良好的抗高温腐蚀能力的MCrAlY体系粉末，其中：M选自以下三者之一：Ni、Co、NiCo。
5、按照权利要求4所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：高温烧结制备复合涂层时的烧结温度范围是：800～1100℃，时间范围是10～60min。
6、按照权利要求4所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：将金属粉与搪瓷粉充分混合后，通过压缩空气喷涂于试样表面，压缩空气气压控制在0.2～0.7MPa。
7、按照权利要求6所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：将金属粉与搪瓷粉充分混合后，将混合粉末通过压缩空气喷涂于带粘结层的试样表面；粘结层选择MCrAlY涂层，其中：M选自以下三者之一：Ni、Co、NiCo。
8、按照权利要求4～7其中之一所述高温合金防护涂层的制备方法，其特征在于：金属-搪瓷复合涂层中搪瓷基体选择软化点在600～900℃，热膨胀系数范围在8.0×10-6K-1～12.0×10-6K-1；MCrAlY体系粉末的粒径在0.1μm～15μm；所制备的金属与搪瓷复合涂层的总厚度范围为10～100μm。
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