CN102888605A

CN102888605A - 一种镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN102888605A
Application number: CN2012104214937A
Authority: CN
Inventors: 陶顺衍; 姜杰; 赵华玉; 周霞明; 丁传贤
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-01-23

Abstract

一种镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层及其制备方法与应用，所述镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层包括CoNiCrAlY涂层，以及沉积在所述CoNiCrAlY涂层的Al薄膜，其中所述Al薄膜与CoNiCrAlY涂层的厚度比为1:（30～150）。本发明的镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层与喷涂态的CoNiCrAlY涂层相比，在高温时的氧化增重速率明显降低，α-Al₂O₃的含量更高，热生长氧化膜层更致密，(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄尖晶石相的含量更低，抗氧化性能更为优异。本发明具有工艺简单、效率高、可重复性好等优点，适合规模化生产和应用于制备热障涂层领域。

Description

一种镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种CoNiCrAlY涂层及其制备方法与应用，具体涉及一种镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层及其制备方法与应用，属于抗氧化涂层领域。

背景技术

热障涂层广泛应用于航空航天发动机与地面燃气轮机热端金属部件的热防护。典型的热障涂层由氧化钇部分稳定氧化锆（YSZ）陶瓷面层和CoNiCrAlY粘结层构成，热障涂层的高温抗氧化性能主要依靠粘结层。真空等离子体喷涂（VPS）是在真空或一定压力的保护性气氛状态的密闭空间里进行的等离子体喷涂，可在一定程度上避免粉料及基材表面在喷涂过程中发生氧化，提高了涂层的致密性和结合强度。近年来，真空等离子体喷涂技术已经成为制备CoNiCrAlY涂层的重要方法之一。然而，粘结层与陶瓷层界面间形成的热生长氧化膜（TGO）是制约热障涂层服役寿命的关键，CoNiCrAlY涂层之所以具有较好的高温抗氧化性能，关键在于其表面易形成致密、氧扩散系数较低的Al₂O₃保护膜，可有效阻止气相氧向金属基体的传输，而如何形成这层连续致密的保护膜已成为国内外学者研究的热点之一。

磁过滤阴极弧沉积（Filtered Cathodic Arc Plasma Deposition，FAD）技术是在真空沉积技术基础上发展起来的新型薄膜制备方法。它通过磁等离子体过滤掉电弧源产生的大颗粒和中性原子，得到纯度极高的等离子束，形成高质量薄膜且包覆性能好，与基材能够紧密结合。磁过滤阴极弧沉积技术的出现为提高CoNiCrAlY涂层的抗氧化性能提供了一种可能。Al元素是影响CoNiCrAlY涂层抗氧化性能的重要组元，高Al含量能够延长高温氧化条件下涂层的使用寿命，但会带来额外脆性，所以通常选用高Cr低Al型组合。若在CoNiCrAlY涂层表面镀Al，则可形成一层Al₂O₃保护膜，从而提高CoNiCrAlY涂层的抗氧化性能。中国专利CN101310969A公开一种采用电弧离子镀技术在Ti-Al合金基体表面制备Al/Al₂O₃层的方法，中国专利CN102586724A公开一种在Ti-Al系金属间化合物表面渗镀铝的方法，但是采用磁过滤阴极弧沉积技术在CoNiCrAlY涂层表面镀Al的方法还鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善高温抗氧化性能的CoNiCrAlY涂层及其制备方法和应用。本发明人意识到通过磁过滤阴极弧沉积技术在CoNiCrAlY涂层表面镀Al，可提高涂层表面的Al含量，经高温氧化后，较快形成Al₂O₃保护膜，提高涂层抗氧化性能，且由于在表面镀膜，不会增加涂层整体的脆性。而且该方法能形成高质量薄膜且包覆性能好，与基材能够紧密结合。

在此，本发明提供一种镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层，包括CoNiCrAlY涂层，以及沉积在所述CoNiCrAlY涂层的Al薄膜，其中所述Al薄膜与CoNiCrAlY涂层的厚度比为1:（30～150）。

本发明的镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层与喷涂态的CoNiCrAlY涂层相比，在高温时的氧化增重速率明显降低，α-Al₂O₃的含量更高，TGO层更致密，(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄尖晶石相的含量更低，抗氧化性能更为优异。

所述Al薄膜的厚度优选为0.8-1.5μm。

所述CoNiCrAlY涂层的厚度优选为50-120μm。

另一方面，本发明还提供一种所述镀Al-CoNiCrAlY复合涂层的制备方法，包括：采用真空等离子体喷涂工艺将CoNiCrAlY合金粉末喷涂到经喷砂处理并洗净的高温合金基材的表面得到CoNiCrAlY涂层；以及利用磁过滤阴极弧沉积技术在所述CoNiCrAlY涂层表面沉积Al薄膜。

所述真空等离子体喷涂工艺参数优选为：喷枪类型为F4-VB，等离子气体氩气的流量为45-55slpm，等离子气体氢气的流量为7-12slpm，喷涂电流为650-700A，喷涂距离为250-300mm，喷涂室压力为75-125mBar，送粉速率为15-20rpm，送粉载气氩气的流量为2.0-2.5slpm。

所述磁过滤阴极弧沉积工艺参数优选为：衬底负偏压为200V，弧电流为60A，工作室压力为7.4×10^-4Pa，沉积时间为1h。

所述CoNiCrAlY合金粉末优选为气雾化的Amdry 995CoNiCrAlY合金粉末。

所述高温合金基材优选为GH3128高温合金基材。

又一方面，本发明还提供所述镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层在制备热障涂层中的应用。

本发明制备的Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层具有比喷涂态CoNiCrAlY涂层更好的高温抗氧化性能，且本发明具有工艺简单、效率高、可重复性好等优点，适合规模化生产和应用。

附图说明

图1为镀铝CoNiCrAlY涂层截面SEM-EDS图；

图2为CoNiCrAlY基涂层1100℃氧化动力学曲线图；

图3为CoNiCrAlY基涂层经1100℃氧化100h的XRD图谱；

图4为CoNiCrAlY基涂层经1100℃氧化100h截面SEM图：(a)喷涂态涂层；(b)镀铝复合涂层。

具体实施方式

以下结合附图及下述具体实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式和/或附图仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的镀Al-CoNiCrAlY复合涂层的制备方法，包括：采用真空等离子体喷涂工艺将CoNiCrAlY合金粉末喷涂到经喷砂处理并洗净的高温合金基材表面得到CoNiCrAlY涂层；利用磁过滤阴极弧沉积技术在所述CoNiCrAlY涂层表面沉积Al薄膜。

更具体地，作为示例，可采用以下工艺进行制备。

（1）高温合金基材的预处理：选用GH3128高温合金基材，切割成尺寸为20mm×10mm×1mm的试件，表面进行喷砂处理后，置于优选的无水乙醇洗涤溶液中超声并重复清洗5遍，用压缩空气吹净，在80-100℃烘箱中烘干备用。但应理解，高温合金基材不限于GH3128高温合金基材，也可采用其它的高温基材，切割尺寸不限于上述尺寸，还可根据需要切割成其它尺寸，清洗次数也不限于5遍，也可以是任何能达到洗净效果的次数。

（2）CoNiCrAlY涂层的制备：采用优化的真空等离子体喷涂工艺参数（见表1）将气雾化的Amdry 995 CoNiCrAlY合金粉末喷涂到处理后的基材表面，双面喷涂，涂层厚度可为50～120μm，例如约为100μm。

（3）铝薄膜的制备：利用磁过滤阴极弧沉积技术在CoNiCrAlY涂层表面沉积Al薄膜，沉积所得的Al膜厚度可为0.8～1.5μm，例如约为1.3μm，Al膜与CoNiCrAlY涂层的厚度比可为1:（30～150）。沉积工艺参数见表2。

表1真空等离子体喷涂工艺参数：

表2磁过滤阴极弧沉积工艺参数：

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数、反应温度、时间等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

采用真空等离子体喷涂技术，按表1所示的工艺参数，在高温合金基材双面制备CoNiCrAlY涂层，涂层的厚度约为100μm。利用磁过滤阴极弧沉积技术，按表2所示的工艺参数在CoNiCrAlY涂层表面沉积Al薄膜，镀铝层的厚度约为1.3μm。由图1所示的镀铝CoNiCrAlY涂层截面SEM-EDS图可见：经磁过滤阴极弧镀铝后，涂层表面Al含量显著提高。

将喷涂态涂层试样与镀铝涂层试样分别置于箱式高温硅碳棒炉中进行氧化考核，实验温度为1100℃，气氛为空气，每隔10h用电子分析天平（精度为0.1mg，METTLERTOLEDO，XS204）称重一次，每组由两个平行试验组成，以此作出单位面积氧化动力学曲线图，如图2所示，镀铝涂层与喷涂态涂层试样的抛物线速率常数分别为0.080mg²/cm⁴·h和0.137mg²/cm⁴·h。与喷涂态涂层相比，镀铝后涂层的氧化速率明显降低。

由图3CoNiCrAlY涂层经1100℃氧化100h的XRD图谱可见：喷涂态涂层经1100℃氧化100h后，α-Al₂O₃和(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄衍射峰强度较强，表明在一定的X射线探测深度范围内，喷涂态涂层氧化后α-Al₂O₃和(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄尖晶石相含量相对较高，尖晶石相的大量出现将不利于涂层的长期服役。而镀铝涂层经1100℃氧化100h后，α-Al₂O₃衍射峰较强，(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄衍射峰强度相对较弱，表明涂层镀铝后，Co、Ni、Cr的氧化受到明显抑制。

喷涂态涂层经1100℃氧化100h后截面形貌如图4(a)所示，涂层表面TGO由(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄和Al₂O₃组成，结果与XRD分析一致。镀铝涂层经1100℃氧化100h截面形貌如图4(b)所示，与喷涂态涂层表面不同，镀铝涂层TGO仅由Al₂O₃构成，几乎不含(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄，阻挡了涂层的进一步氧化。Al-CoNiCrAlY复合涂层与喷涂态CoNiCrAlY涂层相比，抗氧化性能更为优异。

产业应用性：本发明所制备的镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层与喷涂态的CoNiCrAlY涂层相比，在高温时的氧化速率明显降低，α-Al₂O₃的含量更高，形成的TGO层更致密。(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄尖晶石的含量更低，抗氧化性能更为优异，并且具有工艺简单、效率高、可重复性好等优点，适合规模化生产并应用于热障涂层领域。

Claims

1.一种镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层，其特征在于，包括CoNiCrAlY涂层，以及沉积在所述CoNiCrAlY涂层的Al薄膜，其中所述Al薄膜与CoNiCrAlY涂层的厚度比为1:（30～150）。

2.根据权利要求1所述的镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层，其特征在于，所述Al薄膜的厚度为0.8～1.5 μm。

3.根据权利要求1或2所述的镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层，其特征在于，所述CoNiCrAlY涂层的厚度为50～120 μm。

4.一种权利要求1～3中任一项所述的镀Al-CoNiCrAlY复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：

采用真空等离子体喷涂工艺将CoNiCrAlY合金粉末喷涂到经喷砂处理并洗净的高温合金基材的表面得到CoNiCrAlY涂层；以及

利用磁过滤阴极弧沉积技术在所述CoNiCrAlY涂层表面沉积Al薄膜。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述真空等离子体喷涂工艺参数为：喷枪类型为F4-VB，等离子气体氩气的流量为45-55 slpm，等离子气体氢气的流量为7-12 slpm，喷涂电流为650-700 A，喷涂距离为250-300 mm，喷涂室压力为75-125 mBar，送粉速率为15-20 rpm，送粉载气氩气的流量为2.0-2.5 slpm。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述磁过滤阴极弧沉积工艺参数为：衬底负偏压为200V，弧电流为60A，工作室压力为7.4×10^-4Pa，沉积时间为1h。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的制备方法，所述CoNiCrAlY合金粉末为气雾化的Amdry 995 CoNiCrAlY合金粉末。

8.根据权利要求4～7中任一项所述的制备方法，所述高温合金基材为GH3128高温合金基材。

9.一种根据权利要求1~3中任一项所述的方法制备的镀Al-CoNiCrAlY高温抗氧化复合涂层在制备热障涂层中的应用。