CN102991021A - 一种超高温防氧化复合梯度涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种超高温防氧化复合涂层及其制备方法，尤其是涉及一种超高温防氧化复合梯度涂层及其制备方法。该涂层分为三层，内层为铱涂层，中间层为铱基合金涂层，表层为难熔氧化物涂层；涂层中铱涂层厚度为1μm-5μm，铱基合金涂层厚度为5μm-20μm，难熔氧化物涂层厚度为50μm-100μm。复合涂层中中间层合金元素为锆和/或铪，其中合金涂层以单质和/或金属间化合物形式存在；表层氧化物为氧化锆或氧化铪，其中氧化物涂层掺杂氧化钇。该涂层的制备方法在于在基材表面制备复合梯度涂层；首先在基材上制备铱涂层；然后在铱涂层上制备铱基涂层，铱含量为50at.％～95at.％，余量为合金元素；最后在铱基涂层上制备难熔氧化物涂层，其中掺氧化钇含量为5at.％～20at.％，余量为难熔氧化物。

Description

一种超高温防氧化复合梯度涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及超高温防氧化涂层领域，尤其是涉及一种超高温防氧化复合梯度涂层及其制备方法。

背景技术

镍基高温合金是一种重要的耐高温抗氧化材料，广泛应用于燃气轮机叶片等高温部件。航空发动机中作为高温下服役的工程合金材料，不仅要有足够的高温强度，还要具有良好的抗高温氧化性能，单靠合金本身很难同时满足这两个要求。利用表面涂层提高合金的抗高温氧化能力。早在20世纪40年代就出现了航空发动机防护涂层的报道，经过几十年的研究，高温涂层材料的成分与结构等方面均有了巨大的改进。20世纪70年代出现了改进型铝化物涂层，如铝-铬、铝-硅、铝-钛、铂-铝，其中以镀铂渗铝形成的铂铝化物涂层具有更长的使用寿命。20世纪80年代发展了可以调整涂层成分，能在更高温度下起到高温抗氧化作用的等离子体喷涂MCrAlY涂层(M代表Fe、Co、Ni或二者的结合)，被普遍地用作为热障涂层系统的金属粘结层。它克服了传统铝化物涂层与基体之间相互制约的弱点，在抗高温氧化方面有显著的改善。为了缓解陶瓷涂层和基体的热膨胀不匹配，同时也为了提高合金基体的抗氧化，在基体和陶瓷涂层间加了一层金属粘结层。日本近几年在燃气轮机用关键金属材料投入了巨大的力量，镍基超合金作为当前燃气轮超高温零件的主题材料仍在发展中，工作温度不断在提高，基体合金中加入铂族金属是一个重要的研究方向。其中铱具有较高的熔点、化学性质稳定、硬度高，是高温下热强度和热稳定性能最优良的金属，也是唯一拥有极高熔点同时具有很强抗氧化性的金属，并且是唯一能在1600℃以上空气中仍有很好机械性能的金属。铱基金属间化合物与镍基超合金类似的组织。新开发的铱基金属间化合物材料在1200℃下的强度达到1000MPa，显示出优良的高温性能。国外研究资料表明，已在镍基超合金基体表面镀铱-铪、铱-铂、铱-钽合金涂层作为粘结涂层，然后在渗铝来提高高温抗氧化能力，该类涂层具有有效的阻隔合金元素的作用。提高超高温材料的耐高温寿命，必须改善材料的组织结构和需找新技术提高材料的性能。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供了一种超高温防氧化复合梯度涂层，其特征在于该涂层分为三层，内层为铱涂层，中间层为铱基合金涂层，表层为难熔氧化物涂层。

所述的复合涂层中铱涂层厚度为1μm-5μm，铱基合金涂层厚度为5μm-20μm，难熔氧化物涂层厚度为50μm-100μm。

所述的复合涂层中中间层合金元素为锆和/或铪，其中合金涂层以单质和/或金属间化合物形式存在；表层氧化物为氧化锆或氧化铪，其中氧化物涂层掺杂氧化钇。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种超高温防氧化复合梯度涂层的制备方法，其特征在于在基材表面制备复合梯度涂层；首先在基材上制备铱涂层；然后在铱涂层上制备铱基涂层，其中铱含量为50at.％～95at.％，余量为合金元素；最后在铱基涂层上制备难熔氧化物涂层，其中掺杂氧化钇含量为5at.％～20at.％，余量为难熔氧化物。

所述的制备方法，其特征在于制备铱涂层采用的方法是物理气相沉积和化学气相沉积；其中内层铱涂层所采用的物理气相沉积是双层辉光等离子表面改性、电弧沉积、磁控溅射或电子束物理气相沉积；内层铱涂层所采用的化学气相沉积是激光化学气相沉积或金属基化学气相沉积。

所述的制备方法，其特征在于制备铱基合金涂层采用的方法是物理气相沉积；其物理气相沉积是磁控溅射或电子束物理气相沉积。

所述的制备方法，其特征在于制备难熔氧化物涂层采用的方法是物理气相沉积和等离子喷涂沉积；其中难熔氧化物涂层采用的物理气相沉积是电子束物理气相沉积；难熔氧化物涂层采用的等离子喷涂沉积是火焰等离子喷涂、爆炸等离子喷涂或超音速喷涂。

所述的制备方法，其特征在于制备铱涂层所采用的方法是双层辉光等离子表面改性；在铱涂层上制备铱基涂层所采用的方法是电子束物理气相沉积；在铱基涂层上制备难熔氧化物涂层采用的方法是火焰等离子喷涂。

应用效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)复合涂层与基体材料结合强度高；

(2)复合涂层具有超高温抗氧化能力；

(3)复合涂层具有较好的隔热效果；

(4)复合涂层具有较长的服役寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例

实施例1

镍基合金作为基体材料，铱和铱20at.％锆合金板作为靶材，氧化锆粉末掺杂5at.％氧化钇粉末作为原材料。沉积之前，对基体材料进行机械抛光和清洗。首先，采用双辉等离子表面改性技术在基体表面沉积一层铱薄膜，铱靶材电压-800V，工件电压-200V，工作气压10Pa，靶材与基体极间距为15mm，真空室工作气压10^-3Pa，沉积时间30min可获得1.54μm厚度的铱薄膜；然后，采用电子束物理气相沉积技术在铱薄膜表面制备铱锆涂层，电子束电流为400mA，真空室工作气压10^-4Pa，靶材与基体极间距为60mm，基体表面温度450℃，沉积2h可获得20μm厚度的铱锆合金涂层；最后，采用火焰等离子喷涂技术在试样表面喷涂100μm厚度的难熔氧化锆涂层。镍基合金基体表面的复合梯度涂层在高温1500℃氧化30h后，涂层没有发生脱落，涂层结合牢固。

实施例2

单晶超合金TMS-75工件作为基体材料，铱和铱10at.％铪合金板作为靶材，氧化锆粉末掺杂10at.％氧化钇粉末作为原材料。沉积之前，对基体材料进行机械抛光和清洗。首先，采用双辉等离子表面改性技术在基体表面沉积一层铱薄膜，铱靶材电压-850V，工件电压-300V，工作气压5Pa，真空室工作气压10^-3Pa，靶材与基体极间距为15mm，沉积时间1h后，获得3.67μm厚度的铱薄膜；然后，采用电子束物理气相沉积技术在铱薄膜表面制备铱锆涂层，电子束电流为450mA，真空室工作气压10^-4Pa，靶材与基体极间距为60mm，基体表面温度500℃，沉积3h可获得30μm厚度的铱铪合金涂层；最后，采用火焰等离子喷涂技术在试样表面喷涂50μm厚度的难熔氧化铪涂层。镍基合金基体表面的复合梯度涂层在高温2000℃烧蚀10min后，涂层表层出现少量的微裂纹，涂层结合牢固。

上述仅为本发明的单个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种超高温防氧化复合梯度涂层，其特征在于该涂层分为三层，内层由铱组成，中间层由铱基合金组成，表层由难熔氧化物组成，其中铱涂层厚度为1μm-5μm，铱基合金涂层厚度为5μm-20μm，难熔氧化物涂层厚度为50μm-100μm。

2.根据权利要求书1所述的涂层，其特征在于中间层合金元素为锆和/或铪，其中合金涂层以单质和/或金属间化合物形式存在；表层氧化物为氧化锆或氧化铪，其中表层掺杂氧化钇。

3.一种超高温防氧化复合梯度涂层的制备方法，其特征在于在基材表面制备复合梯度涂层；首先在基材上制备铱涂层；然后在铱涂层上制备铱基涂层，其中铱含量为50at.％～95at.％，余量为合金元素；最后在铱基涂层上制备难熔氧化物涂层，其中掺杂氧化钇含量为5at.％～20at.％，余量为难熔氧化物。

4.根据权利要求书3所述的制备方法，其特征在于制备内层采用的方法是物理气相沉积和化学气相沉积。

5.根据权利要求书4所述的制备方法，其特征在于内层所采用的物理气相沉积是双层辉光等离子表面改性、电弧沉积、磁控溅射或电子束物理气相沉积；所采用的化学气相沉积是激光化学气相沉积或金属醇盐化学气相沉积。

6.根据权利要求书3所述的制备方法，其特征在于制备中间层采用的方法是物理气相沉积。

7.根据权利要求书6所述的制备方法，其特征在于中间层所采用的物理气相沉积是磁控溅射或电子束物理气相沉积。

8.根据权利要求书3所述的制备方法，其特征在于制备表层采用的方法是物理气相沉积和等离子喷涂沉积。

9.根据权利要求书8所述的制备方法，其特征在于表层采用的物理气相沉积是电子束物理气相沉积；采用的等离子喷涂沉积是火焰等离子喷涂、爆炸等离子喷涂或超音速喷涂。

10.根据权利要求书3或4或6或8所述的制备方法，其特征在于制备内层所采用的方法是双层辉光等离子表面改性；在内层上制备中间层所采用的方法是电子束物理气相沉积；在中间层上制备表层采用的方法是火焰等离子喷涂。