CN103407226A - 金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法 - Google Patents

金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法 Download PDF

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刘兴钊
蒋书文
张万里
蒋洪川
李言荣
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Abstract

金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，涉及材料技术领域。本发明包括下述步骤：1）在金属结构件表面沉积一层合金薄膜，所述合金薄膜的热膨胀系数与金属结构件材料的热膨胀系数之差不大于金属结构件材料的热膨胀系数的20%；2）对沉积的合金薄膜进行高温热氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化物薄层；3）在氧化物薄层上沉积陶瓷薄膜。本发明很好地解决了金属/陶瓷界面的附着力问题。

Description

金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域。
背景技术
金属材料具有良好的韧性和可加工性，然而其耐腐蚀性、硬度等较差，陶瓷在耐腐蚀性和硬度等方面的性能非常优异，而其韧性和可加工性又太差，若能将这两种材料结合起来，则可使其性质取长补短，获得良好效果。一种可行的方法就是在金属材料和金属结构件表面沉积一层陶瓷薄膜。
实际上，在金属表面涂敷陶瓷材料古已有之，最常见的就是搪瓷技术和搪瓷产品。然而，现代社会的发展对涂敷在金属表面的陶瓷材料性能要求越来越高，已远非搪瓷技术所能满足的，其主要需求主要体现在各种恶劣环境(高温、高压、强热疲劳、强气流冲击等)下工作的金属结构件的防护，如：燃汽轮机叶片、航空发动机叶片等。
随着化石燃料的日益短缺以及环境保护的日益迫切，如何提高传统能源的使用效率便成了节能减排的关键，为此，提高各种能源装置的燃烧温度成为眼下最现实的节能减排技术方案，如：超超临界然煤发电技术、F级燃汽轮机技术等都是其典型代表。
航空飞行器也是目前提高能源使用效率的另一个重点关注对象，为了确保安全，现在的航空油料的燃烧并不充分，这不仅造成巨大浪费，也对环境造成严重影响，因此，乘座飞机出行的人员成为国际购买碳排放交易机构的重要客户来源。随着油料燃烧效率的不断提高，发动机叶片和燃烧室的温度也越来越高，尽管飞机发动机的叶片主要以高温合金制造的，但仍然不能满足要求。
随着燃烧温度的不断提高，对高温下工作的叶片等部件材料也提出了越来越高的要求，在金属结构件表面涂敷防护涂层正在成为较为现实的的解决方案。在现阶段，人们多采用高温合金作为防护涂层材料，但由于高温合金在高温、高压下将不可避免地发生氧化，采用高温合金防护涂层的寿命仍然是一个不可回避的问题。未来的防护涂层必然将以无机非金属材陶瓷料为主，如：以SiON、AlON、SiAlON等为代表的高温氮氧化物将成为未来表面防护涂层的主要侯选材料。由于陶瓷与金属叶片材料的物理性质差异很大，若不采用一定的技术措施，直接在金属结构件表面沉积的陶瓷薄膜其附着力通常满足不了使用环境的要求。
针对以上背景，本发明提出了一种提高陶瓷薄膜在金属结构件表面附着力的技术方法，即：通过缓冲层的引入，使界面逐渐由金属特性过渡到陶瓷特性，从而解决金属/陶瓷界面附着力差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，制备的陶瓷薄膜具有良好的附着力。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1）在金属结构件表面沉积一层合金薄膜，所述合金薄膜的热膨胀系数与金属结构件材料的热膨胀系数之差不大于金属结构件材料的热膨胀系数的20%；即，设合金薄膜的热膨胀系数为X，金属结构件材料的热膨胀系数为Y，则X在0.8Y和1.2Y之间。
2）对沉积的合金薄膜进行高温热氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化物薄层；
3）在氧化物薄层上沉积陶瓷薄膜。
进一步的，所述步骤1）中，所述合金薄膜的材料成分中包含金属结构件的材料成分中的至少一种。
所述金属结构件为Ni基高温合金结构件，合金薄膜为NiCrAlY合金薄膜，所述陶瓷薄膜为Al2O3陶瓷薄膜。
或者，所述金属结构件为不锈钢结构件，合金薄膜为NiCrSi合金薄膜，所述陶瓷薄膜为SiO2陶瓷薄膜。
本发明的有益效果是，由于合金薄膜与作为基底的金属材料性质相近，其与金属结构件的附着力良好，又因为热氧化层是从合金薄膜表面自然生成的，该热氧化层与合金薄膜之间的附着力自然很好。通过引入这样一种缓冲层后，陶瓷薄膜实际上是沉积在热氧化层表面，由于该热氧化层在性质上属于陶瓷材料，因此，所沉积的陶瓷薄膜与热氧化层之间的附着力也是非常良好的，因此，本发明技术很好地解决了金属/陶瓷界面的附着力问题。
附图说明
图1是本发明提出的缓冲层结构示意图。
图2是NiCrAlY合金层经热氧化后成份沿厚度方向的分布曲线图。
图3是Ni基高温合金表面的缓冲层结构示意图。
图4是NiCrSi合金层经热氧化后成份沿厚度方向的分布曲线图。
图5是不锈钢表面的缓冲层结构示意图。
具体实施方式
本发明先在金属结构件表面沉积一层合金薄膜，该合金材料在成分、性质等方面均与金属结构件材料相近，并含有易氧化的金属元素再对所沉积的合金薄膜进行高温热氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化物薄层。由此合金薄膜与其表面的热氧化薄层一起构成缓冲层，再在缓冲层上制备绝缘层、敏感层和防护层。如附图1所示。
作为一种实施方式，金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1）在金属结构件表面沉积一层合金薄膜，所述合金薄膜的材料成分与金属结构件材料相近，即合金薄膜的材料成分中，包含金属结构件的材料成分中的至少一种；
2）对沉积的合金薄膜进行高温热氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化物薄层；
3）在氧化物薄层上沉积陶瓷薄膜。
实施例1  Ni基高温合金表面沉积Al2O3陶瓷薄膜
本实施例在Ni基高温合金飞机发动机叶片表面沉积了Al2O3陶瓷薄膜。先在Ni基合金飞机发动机叶片表面沉积NiCrAlY合金薄膜，并在超高真空下对NiCrAlY合金薄膜进行处理后，再对其进行热氧化处理。采用X射线光电子能谱对经处理后的样品成分沿厚度方向的分布进行分析，分析结果如附图2所示，可见：在NiCrAlY合金薄膜表面生成了一层Al2O3。
飞机发动机叶片用Ni基高温合金根据具体成份其热膨胀系数通常介于12×10-6～14×10-6/℃之间，所选合金薄膜NiCrAlY材料的热膨胀系数与Ni基高温合金的热膨胀系数之差通常应控制在小于20%为佳，最好小于10%。
由NiCrAlY合金薄膜与其表面生成的热氧化Al2O3层一起构成了缓冲层，其结构如图3所示。由于NiCrAlY薄膜与Ni基高温合金的材料性质非常接近，所以，NiCrAlY薄膜在Ni基高温合金表面的附着力良好；由于热氧化层是由NiCrAlY薄膜氧化而来的，所以该热氧化层与NiCrAlY薄膜之间的附着力也非常良好。
在热氧化层表面采用电子束蒸发生长Al2O3陶瓷薄膜，测试结果表明：薄膜附着力良好。
实施例2  在不锈钢表面沉积陶瓷薄膜
如图4、5。本实施例在不锈钢基材上沉积了SiO2陶瓷薄膜。采用NiCrSi作为合金层，先在不锈钢表面沉积NiCrSi合金薄膜，并在超高真空下对NiCrSi合金薄膜进行处理后，再对其进行热氧化处理。采用X射线光电子能谱对经处理后的样品成分沿厚度方向的分布进行分析，分析结果显示：在NiCrSi合金薄膜表面生成了一层SiO2。
不锈钢的热膨胀系数通常介于15×10-6/℃～16×10-6/℃，所选合金薄膜NiCrSi材料的热膨胀系数与不锈钢的热膨胀系数之差控制在不大于20%。
由NiCrSi合金薄膜与其表面生成的热氧化SiO2层一起构成了缓冲层，其结构如图5所示。由于NiCrSi薄膜与不锈钢的性质非常接近，所以，NiCrSi薄膜在不锈钢表面的附着力良好；由于热氧化层是由NiCrSi薄膜氧化而来的，所以该热氧化层与NiCrSi薄膜之间附着力也非常良好。
在热氧化层表面采用电子束蒸发生长SiO2陶瓷薄膜，测试结果表明：薄膜附着力良好。

Claims (4)

1.金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1）在金属结构件表面沉积一层合金薄膜，所述合金薄膜的热膨胀系数与金属结构件材料的热膨胀系数之差不大于金属结构件材料的热膨胀系数的20%；
2）对沉积的合金薄膜进行高温热氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化物薄层；
3）在氧化物薄层上沉积陶瓷薄膜。
2.如权利要求1所述的金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述合金薄膜的材料成分中包含金属结构件的材料成分中的至少一种。
3.如权利要求1所述的金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，其特征在于，所述金属结构件为Ni基高温合金结构件，合金薄膜为NiCrAlY合金薄膜，所述陶瓷薄膜为Al2O3陶瓷薄膜。
4.如权利要求1所述的金属结构件表面陶瓷薄膜制备方法，其特征在于，所述金属结构件为不锈钢结构件，合金薄膜为NiCrSi合金薄膜，所述陶瓷薄膜为SiO2陶瓷薄膜。
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