CN101310972B - 一种共沉积梯度MCrAlY涂层的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及涂层技术，具体地说是一种用于高温合金防护的梯度MCrAlY涂层及制备方法；本发明通过电弧离子镀(AIP，即Arc Ion Plating)共沉积加真空扩散退火的方法，制备Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布的MCrAlY涂层。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，本发明所涉及的这种梯度MCrAlY涂层有效地提高了涂层中Al存储相含量，从而可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。该梯度涂层及其制备方法可应用于Ni基、Co基高温合金的防护。
Description
技术领域
本发明涉及高温防护涂层技术，具体地说是一种共沉积梯度MCrAlY涂层及制备方法。
背景技术
作为一种具有良好抗氧化、抗热腐蚀性能的MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co)包覆涂层，已被广泛应用于航空发动机、燃气轮机叶片等耐热部件的防护，它既可以单独使用，也可以作为粘接层(bond coat)与表面陶瓷层(如Y2O3部分稳定的ZrO2)一起构成热障涂层(TBCs，即thermal barrier coatings)体系，来提高部件的抗高温氧化、抗热腐蚀性能，延长部件的服役寿命。相关应用的文献如：①中国发明专利，一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法，申请号01133423.1；②中国发明专利，一种抗氧化热障涂层及制备方法，申请号02133193.6；③中国发明专利，一种抗热冲击热障涂层的制备方法，申请号03133344.3；④中国发明专利，一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀涂层及其制备方法，申请号03111363.X；等等。
对于高温合金及高温防护涂层部件，氧化是导致部件失效的重要原因之一，其抗氧化性能的提高主要依赖于表面缓慢生长的Al2O3膜。在高温下，均匀致密的氧化铝膜，特别是α-Al2O3膜拥有优异的热稳定性，元素在其内部的扩散系数非常小，因此高温合金或高温防护涂层设计时，通常希望加入较高含量的Al元素，利用Al的选择性氧化生成单一的均匀Al2O3膜来保护内部基体不受氧化或降低氧化速率，延长部件使用寿命。Ni基高温防护MCrAlY涂层体系中，常见的Al元素金属间化合物有Ni2Al3，β-NiAl和γ′-Ni3Al等，其中Ni2Al3因较脆而力学性能差，γ′-Ni3Al中Al含量太低而不能长时间生成单一的Al2O3膜，β-NiAl以同时具有较高Al含量及相对良好的力学性能作为涂层中常见的Al存储相(Al-reservoir)。
长时间的高温氧化及涂层与基体的元素互扩散是导致涂层体系失效的重要原因，其特点是Al存储相被大量消耗，最后涂层内部的Al浓度不足以选择性氧化生成单一Al2O3膜而不再具有保护生能。因此，通过提高高温防护MCrAlY涂层内Al源的含量可以有效地延长涂层使用寿命，但过高Al含量会导致涂层脆性增加，不利于涂层部件冷热交替循环工作。
发明内容
为了延缓高温防护涂层的退化，延长涂层的服役时间，本发明的目的在于提供一种Al元素呈梯度分布的共沉积MCrAlY涂层及其制备方法。由于梯度效应，使得涂层在保证力学性能的前提下最大限度的提高了β-NiAl存储相含量，因而可以延缓涂层退化过程，提高涂层的防护效果和服役周期。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种共沉积梯度MCrAlY涂层的制备工艺，在MCrAlY涂层上沉积Al(SiY)涂层，形成Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布的复合MCrAlY涂层，该梯度涂层表层Al元素浓度为20～35wt％，里层Al元素浓度为5～10wt％；共沉积涂层表面为富Al的β-NiAl层，Al主要分布在β-NiAl相中；内层为MCrAlY加弥散分布的β-NiAl相，Al元素分布在β-NiAl相和γ′-Ni3Al相中；
通过电弧离子镀共沉积加真空扩散退火的方法制备梯度MCrAlY涂层：
首先采用电弧离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层，沉积参数为：真空室的本底真空2×10-3～1×10-2Pa；通入Ar气，使真空室压强升至5×10-23×10-1Pa；靶基距为230～250mm；轰击偏压-800～-1000V，占空比20～40％，溅射清洗时间2～5分钟；沉积MCrAlY涂层时，弧电流50～70A，弧电压20～25V，脉冲偏压-150～-300V，占空比20～40％，沉积温度300～400℃，制备的常规MCrAlY涂层厚度为40～60μm；
MCrAlY靶材合金成分，按质量百分比计，Co为0～40％，Cr为15～40％，Al为6～16％，Y为0.1～1％，Si为0～2％，B为0.01～0.03％，Hf为0～1.5％，Ni为余量；其中，M＝Ni，Co或Ni+Co；
在常规MCrAlY涂层基础上沉积Al(SiY)涂层，按质量百分比计，Al(SiY)名义成分为，Si：0～6％，Y：0～2％，Al：余量；沉积工艺同沉积常规MCrAlY涂层，沉积的Al(SiY)涂层厚度为10～15μm；
将得到的MCrAlY加Al(SiY)共沉积复合涂层进行真空热处理，样品在真空条件下900～1000℃扩散退火4～6h，升温速率≤8℃/min，随炉冷却至室温，得到Al浓度呈梯度分布的MCrAlY涂层。
本发明制备的梯度涂层可以满足力学性能和提高Al元素含量的双重要求：梯度涂层内部Al元素呈梯度分布，可以在不降低或很少降低涂层力学性能的条件下最大限度地提高涂层内Al存储相的分数。梯度涂层中，表面处Al浓度高，有利于选择性氧化形成保护性的Al2O3膜并长时间补充氧化膜缓慢生长所需；涂层内部Al含量相对较低，与基体合金互扩散所消耗的Al元素有限，因此这种结构能够将内部的Al元素最大限度地支持生成保护性Al2O3膜，即成为有效Al源来延缓涂层退化，延长涂层使用寿命。
本发明具有以下优点：
1.涂层使用寿命更长。本发明通过电弧离子镀(AIP，即ArcIonPlating)共沉积加真空扩散退火的方法，制备Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布的MCrAlY涂层。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，由于提高了涂层内部存储相β-NiAl的含量，使得涂层内Al源能给表面氧化膜更长时间的补充，继而延长涂层的服役时间。
2.本发明所涉及MCrAlY涂层中，Al浓度具有沿深度呈梯度分布的特点，外表面富Al层Al浓度较高，涂层内部Al浓度相对较低。
3.本发明可应用于Ni基、Co基高温合金的防护。
4.采用本发明可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。
附图说明
图1(a)-(b)为退火前(a)和退火后(b)共沉积MCrAlY涂层的截面SEM形貌。
图2(a)-(b)为950℃退火后涂层截面形貌(a)及沿(a)图黑线不同点Al元素的浓度分布(b)。
具体实施方式
下面通过实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
基材采用Co基高温合金K40，其名义成分为(质量百分比)：10.5％Ni，25.5％Cr，7.5％W，0.45％C，Co余量，试样尺寸为15×10×1.5mm3。采用国产MIP-8-800型多弧离子镀设备共沉积MCrAlY+Al(SiY)复合涂层。MCrAlY靶材成分如下(质量百分比计)，Co：32；Cr：20；Al：8；Y：0.5；Si：1；B：0.03，Ni：余量。沉积前对试样进行预处理，即将基材试样打磨至Ra＝0.4μm，采用200目空心玻璃丸湿喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精漂洗后烘干备用。采用MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积常规MCrAlY涂层，预抽真空至7×10-3Pa，轰击和沉积时通入Al气，真空度为2×10-1Pa。对样品进行预溅射轰击清洗，靶基距为240mm，脉冲偏压为-800V，占空比33％，清洗时间5min；沉积时弧电压为20V，弧电流60～65A，脉冲偏压为-250V，占空比33％，沉积温度为350℃，沉积时间为400min，获得的常规MCrAlY涂层厚度约为50μm。
继续在常规MCrAlY涂层基础上沉积Al(SiY)层，Al(SiY)靶材成分如下(质量百分比计)：Si：4；Y：1，Al：余量。沉积Al(SiY)层工艺参数同沉积常规MCrAlY涂层，获得的Al(SiY)层厚度约为10μm。将镀有Al(SiY)层的MCrAlY复合涂层放入石英玻璃管内抽真空后充入Ar气保护，在马弗炉中950℃保温4h，加热速率不大于8℃/min，随炉冷却至室温，得到表层富β-NiAl的梯度MCrAlY涂层。
扩散退火前后涂层的截面型貌如图1(a)-(b)所示，由图1(a)-(b)可知，扩散退火后，共沉积涂层表面的Al(SiY)层消失，取而代之的是富Al的β-NiAl层，富Al的β-NiAl层厚度为25μm，Al含量为29.3wt％，Al主要分布在β-NiAl相中；内层由MCrAlY加弥散分布的β-NiAl相，其里层平均Al含量为13.6wt％，Al元素分布在β-NiAl相和γ′-Ni3Al相中。这种结构有利于提高有效Al存储相含量并同时保证较好的力学性能，属于典型的Al浓度梯度变化的MCrAlY复合涂层。
实施例2
基材采用定向凝固Ni基高温合金DZ 125，其名义成分为(质量百分比计)：10％Co，9％Cr，7％W，5％Al，2.5％Ti，3.5％Ta，C微量，Ni余量。电弧离子镀沉积常规MCrAlY涂层工艺同实施例1，获得的常规MCrAlY涂层厚度约为60μm。在获得的常规MCrAlY涂层上继续共沉积纯Al涂层，沉积工艺基本同沉积普通MCrAlY涂层，脉冲偏压为-200V，获得的纯铝涂层厚度约为12μm。
将镀有纯Al涂层的MCrAlY共沉积涂层试样放入气压小于1×10-2Pa的真空炉内，在7℃/min的升温速率下，升温至1000℃，保温5h，随炉冷却至室温，得到外部富铝层较厚的共沉积梯度MCrAlY涂层。
1000℃真空扩散退火5h，使扩散过程进行得更为充分，真空退火后涂层的截面形貌如图2(a)所示，由图2(a)可知，该涂层外部是富Al的β-NiAl层，富Al的β-NiAl层厚度为30μm，Al含量约为28.1wt％，Al主要分布在β-NiAl相中；内层由MCrAlY加弥散分布的β-NiAl相，其里层平均Al含量为13.6wt％，Al元素分布在β-NiAl相和γ′-Ni3Al相中，该涂层具有典型的梯度涂层特征。沿图2(a)涂层中所示黑线进行EDS能谱点分析，结果表明Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布，与截面形貌对应。
Claims (1)
1.一种共沉积梯度MCrAlY涂层的制备工艺，其特征在于：在MCrAlY涂层上沉积Al(SiY)涂层，形成Al元素浓度沿深度方向呈梯度分布的复合MCrAlY涂层，该梯度涂层表层Al元素浓度为20～35wt％，里层Al元素浓度为5～10wt％；共沉积涂层表面为富Al的β-NiAl层，Al主要分布在β-NiAl相中；内层为MCrAlY加弥散分布的β-NiAl相，Al元素分布在β-NiAl相和γ′-Ni3Al相中；
通过电弧离子镀共沉积加真空扩散退火的方法制备梯度MCrAlY涂层：
首先采用电弧离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层，沉积参数为：真空室的本底真空2×10-3～1×10-2Pa；通入Ar气，使真空室压强升至5×10-2～3×10-1Pa；靶基距为230～250mm；轰击偏压-800～-1000V，占空比20～40％，溅射清洗时间2～5分钟；沉积MCrAlY涂层时，弧电流50～70A，弧电压20～25V，脉冲偏压-150～-300V，占空比20～40％，沉积温度300～400℃，制备的常规MCrAlY涂层厚度为40～60μm；
MCrAlY靶材合金成分，按质量百分比计，Co为0～40％，Cr为15～40％，Al为6～16％，Y为0.1～1％，Si为0～2％，B为0.01～0.03％，Hf为0～1.5％，Ni为余量；其中，M＝Ni，Co或Ni+Co；
在常规MCrAlY涂层基础上沉积Al(SiY)涂层，按质量百分比计，Al(SiY)名义成分为，Si：0～6％，Y：0～2％，Al：余量；沉积工艺同沉积常规MCrAlY涂层，沉积的Al(SiY)涂层厚度为10～15μm；
将得到的MCrAlY加Al(SiY)共沉积复合涂层进行真空热处理，样品在真空条件下900～1000℃扩散退火4～6h，升温速率≤8℃/min，随炉冷却至室温，得到Al浓度呈梯度分布的MCrAlY涂层。
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| CN101310972A (zh) | 2008-11-26 |
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