CN103667795A - 活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法 - Google Patents

活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103667795A
CN103667795A CN201310712377.5A CN201310712377A CN103667795A CN 103667795 A CN103667795 A CN 103667795A CN 201310712377 A CN201310712377 A CN 201310712377A CN 103667795 A CN103667795 A CN 103667795A
Authority
CN
China
Prior art keywords
modification
nial
matrix
bonding layer
layer material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310712377.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103667795B (zh
Inventor
郭洪波
王璐
程玉贤
王迪
宫声凯
徐惠彬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201310712377.5A priority Critical patent/CN103667795B/zh
Publication of CN103667795A publication Critical patent/CN103667795A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103667795B publication Critical patent/CN103667795B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法，属于热障涂层技术领域。采用电镀和电子束物理气相沉积的方法在镍基高温合金上制备Sc改性(Ni,Pt)Al涂层，本发明提供的粘结层材料能够在超过1150℃的环境下长时间应用。与未改性NiAl相比，掺杂Sc之后，(Ni,Pt)Al的氧化速率明显降低，氧化膜的粘附性提高，剥落情况得到抑制，氧化膜/NiAl界面变得平直，界面孔洞被消除，具备良好的抗高温氧化性能，可以用作抗高温热障涂层粘结层材料；本发明分别采用电镀方法制备Pt层、电子束物理气相沉积制备Sc改性NiAl涂层，通过调节各项参数可以达到精确控制涂层厚度、化学成分的目的，弥补了包埋渗方法制备(Ni,Pt)Al涂层的不足。

Description

活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可以用作热障涂层中粘结层的材料，具体是指能够应用于1200℃高温环境中的，利用活性元素Sc（钪）改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料。
背景技术
热障涂层（Thermal barrier coatings,TBCs）是应用在高性能航空发动机上的关键技术，一般由Y2O3部分稳定的ZrO2隔热陶瓷顶层和MCrAlY（M为Ni，Co或Ni+Co）抗氧化粘结层组成。近年来，随着航空发动机向高流量比、高推重比方向的不断发展，推重比为10的航空发动机的设计进口温度超过了1600℃，而推重比为15以上的先进航空发动机的设计进口温度将超过1700℃。这就要求导向叶片和涡轮叶片在1500～1600℃下长期工作。即使采用气膜冷却技术和效果优异的陶瓷顶层隔热，热障涂层中的粘结层也必须具备在1200℃以上长期稳定工作的能力。
研究发现，热障涂层的失效通常是由于热生长氧化物层（TGO）或其附近开裂所造成涂层剥落引起的，这导致传统的热障涂层体系只能在低于1150℃的环境中使用。因为在更高温度环境下MCrAlY粘结层将会生成较厚的氧化膜和随之而来的氧化膜局部剥落，最终导致热障涂层的失效。因而，开发能够在1200℃以上使用的粘结层材料成为了国内外科学家们研究的重点课题。
NiAl中金属键和共价键共存的特性使其熔点超过了1600℃，具备成为超高温涂层的先决条件。高温条件下，NiAl能够形成具有低生长速率的单一完整的α-Al2O3氧化膜，并且由于其Al含量高，所生成的保护性氧化膜具有“自我修复”的能力。然而，NiAl涂层表面的氧化膜粘附性较差，在高温循环氧化环境下极易剥落，与NiAl涂层相连的隔热陶瓷顶层也随之剥落，最终导致涂层的失效。造成NiAl表面氧化膜粘附性不佳的主要原因包括：氧化膜和涂层界面孔洞的形成和长大，以及氧化膜的严重皱曲。
发明内容
本发明的目的是改善NiAl表面氧化膜的粘附力，同时消除NiAl/氧化膜界面的孔洞。为此，本发明提供了一种采用电镀和电子束物理气相沉积方法制备的活性元素钪改性的镍铂铝抗高温氧化粘结层材料。本发明的目的之一是采用电弧熔炼的方法制备成分为原子比1:1的NiAl中掺杂原子百分比仅为0.05%～0.3%的活性元素Sc粘结层材料。所用单质原料纯度为质量百分比99.99%。Sc在NiAl晶界和晶粒内不均匀析出。Sc改性NiAl粘结层材料在1200℃循环氧化100小时之后平均氧化增重为0.98～2.31mg/cm2，而纯NiAl的氧化增重达到了4.09mg/cm2；NiAl-Sc的质量变化（即不包括剥落的氧化膜的质量）为0.93～1.40mg/cm2，而NiAl的质量变化为－2.91mg/cm2。NiAl表面的氧化膜厚度不均匀，发生了严重剥落，且在剥落处存在大量孔洞，氧化膜/NiAl界面不平直；而Sc改性的NiAl表面氧化膜厚度均一，不存在界面孔洞，且氧化膜/NiAl界面平直。
本发明的另一目的是提出一种采用电镀和电子束物理气相沉积制备Sc改性(Ni,Pt)Al涂层的方法。这种制备方法首先采用电镀工艺在基体上制备一层Pt，然后采用电子束物理气相沉积的方法在Pt层上沉积Sc改性NiAl涂层，经过热处理即可制得界面结合紧密的Sc改性(Ni,Pt)Al涂层。该涂层中的Pt能够在活性元素Sc的基础上进一步改善NiAl涂层的抗高温氧化性能，提高氧化膜的抗剥落能力。制备这种新型涂层的具体步骤如下：
第一步，采用电镀方法制备Pt层;
(A)基体预处理：采用液体喷砂机、200目石英砂对镍基高温合金基体表面进行喷砂处理，再将喷砂处理后的基体放入60℃由NaOH、Na2CO3、Na3PO4和去离子水组成的碱性清洗液（1L除油剂中含30gNaOH、130g Na2CO3、30g Na3PO4）中超声清洗5分钟，随后用去离子水冲洗两次。冲洗后的基体放入活化液（1L活化液含有100mL36wt.%盐酸，其余为水）中活化60秒。
(B)预镀Ni层：为了提高电镀Pt层与基体之间的结合力，将活化后基体水洗两次，在预镀液中预镀2min。预镀溶液为冲击镀镍溶液，由氯化镍和盐酸组成。配方为1L预镀溶液中含氯化镍200g，盐酸120mL，其余为水。
(C)电镀Pt层：将经过步骤(B)处理的基体放入镀Pt液中进行电沉积，获得Pt层。工艺参数为：镀铂液温度80℃，电流密度0.5A/dm2，pH值10.5。阳极为铂钛网，阴极为基体，阳极：阴极表面积比≈2。所述镀Pt液成分为：二亚硝基二胺合铂10g/L，氢氧化钠20g/L，桂皮酸1g/L，浓氨水15ml/L，四氟硼酸钾250g/L。电镀时间90min，Pt层厚度约10μm。
第二步，采用电子束物理气相沉积方法制备Sc改性NiAl涂层；
(A)将粘结层料棒置于电子束物理气相沉积设备的坩埚内，并将经过第一步处理后的镀Pt镍基高温合金基体以NiCr丝固定于夹具上；真空室的真空度降至1×10-2～5×10-5Pa，夹具的旋转速度设定为10～20rpm；采用电子束加热高温合金基体至600～900℃，电子束电压17～19kV；
(B)沉积粘结层：电流1.2～2.0A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，沉积速率1.5～2.0μm/min，沉积时间0.5～1h。
第三步，将经过第二步处理的镍基高温合金基体放入真空热处理炉内进行热处理。热处理温度为1000～1100℃，时间2～6h，真空度小于2×10-2Pa，即可得到界面结合紧密的Sc改性(Ni,Pt)Al粘结层。
本发明活性元素Sc改性(Ni,Pt)Al粘结层材料及其制备工艺的优点在于：
（1）本发明提供的粘结层材料能够在超过1150℃的环境下长时间应用。与未改性NiAl相比，掺杂Sc之后，(Ni,Pt)Al的氧化速率明显降低，氧化膜的粘附性提高，剥落情况得到抑制，氧化膜/NiAl界面变得平直，界面孔洞被消除，具备良好的抗高温氧化性能，可以用作抗高温热障涂层粘结层材料。
（2）本发明分别采用电镀方法制备Pt层、电子束物理气相沉积制备Sc改性NiAl涂层，通过调节各项参数可以达到精确控制涂层厚度、化学成分的目的，弥补了包埋渗方法制备(Ni,Pt)Al涂层的不足。
附图说明
图1是1200℃循环氧化100h NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc及NiAl-0.3Sc的氧化增重曲线；
图2是1200℃循环氧化100h NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc及NiAl-0.3Sc的质量变化曲线；
图3A～3D是1200℃循环氧化100h后NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc及NiAl-0.3Sc的表面形貌；
图4A～4D是1200℃循环氧化100h后NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc及NiAl-0.3Sc的截面形貌；
图5是采用电镀和电子束物理气相沉积制备的Sc改性(Ni,Pt)Al涂层的截面形貌。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明利用活性元素Sc改性(Ni,Pt)Al粘结层材料，目标是解决NiAl氧化膜粘附性差、氧化膜不平直以及界面存在大量孔洞等问题，避免氧化膜的过早剥落，使其成为能够在1150℃以上温度长期使用的粘结层材料。测试结果表明，微量活性元素Sc能够明显降低氧化膜的氧化速率，提高氧化膜的粘附性，并且消除了界面孔洞，显著改善了NiAl的抗高温循环氧化性能。
本发明所述高温合金基体可以是镍基高温合金K3，镍基单晶高温合金DD3、DD6，或定向凝固高温合金DZ125。
本发明中制备NiAl粘结层材料所用的单质原料纯度均为质量百分比99.99%，Ni和Al的原子比为1:1，活性元素Sc的掺杂量为0.05%～0.3%原子百分比。本发明中粘结层材料的具体成分有NiAlSc0.05、NiAlSc0.1、NiAlSc0.3。
制备本发明中Sc改性NiAl粘结层材料的方法为：按照成分配比称量事先清洗烘干的Ni、Al以及Sc原料单质，将量取好的原料置于真空电弧炉内的铜坩埚中。电弧熔炼时炉内真空度为1×10-3～5×10-5Pa，电流为700～1000A，每个铸锭翻炼4次。为保证活性元素Sc在NiAl中的均匀分布，对铸锭进行真空均匀化退火处理：1300℃热处理24h，真空度为9.2×10-3Pa。
将热处理之后的NiAlSc铸锭用线切割的方法加工为10×8×3mm3的矩形试样，并对该尺寸的活性元素Sc改性的NiAl粘结层材料进行各项性能测试，包括：
抗循环氧化性能测试：分别用400#、600#、800#SiC砂纸将切割好的Sc改性NiAl粘结层材料试样打磨光滑，然后依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗各15min并烘干。用游标卡尺量取清洗好的试样的尺寸，计算并记录其表面积。用精确到0.01mg的电子天平称量试样的初始重量。将试样用Pt丝悬挂在事先清洗、焙烧过的氧化铝小坩埚中，再称量试样、Pt丝和坩埚的总重。将固定好试样的小坩埚放入管式电阻炉的均温区。循环周期为1h，包括1200℃空气中氧化50min和炉外空冷10min。待试样冷却至室温之后，记录试样的平均氧化增重（同一成分5个样品），即试样、Pt丝和坩埚总的质量变化；同时记录试样的平均质量变化（同一成分5个样品），即扣除剥落的氧化膜的质量。在1200℃循环氧化100h之后，NiAl的氧化增重达到了4.09mg/cm2，而微量掺杂Sc使氧化增重降低到0.98～2.31mg/cm2，见图1。未改性的NiAl在循环氧化20h后质量变化便降低为负数，即出现了严重的剥落。而Sc改性的NiAl在100次热循环后仍未失效，质量变化为0.93～1.40mg/cm2，见图2。
表面氧化膜形貌观察：用扫描电镜观察在1200℃循环氧化100h后试样的表面二次电子图像，发现未改性NiAl表面出现了大块的氧化膜剥落，并且在剥落处存在大量界面孔洞；而Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密、粘附性好，只存在小块的剥落，没有观察到NiAl/氧化膜界面孔洞的存在，结果如图3A～3D。
截面氧化膜形貌观察：将循环氧化测试后的试样用树脂镶嵌起来，磨平抛光后用扫描电镜观察试样的截面背散射图像，见图4A～4D。NiAl表面的氧化膜厚度不均匀，剥落情况十分严重，氧化膜与NiAl界面皱曲。掺杂Sc之后，表面氧化膜变得平直，厚度均匀，没有出现明显的剥落。
采用电镀和电子束物理气相沉积方法在高温合金基体上制备Sc改性(Ni,Pt)Al粘结层，具体方法为：
第一步，采用电镀方法制备Pt层；
(A)基体预处理：在液体喷砂机中用200目石英砂对基体表面进行喷砂处理。喷砂处理后，将基体放入60℃的配方为30g NaOH、130g Na2CO3、30g Na3PO4和去离子水组成的1L碱性清洗液中超声清洗5分钟，随后用去离子水冲洗两次。冲洗后的基体放入活化液（1L活化液含有100mL36wt.%盐酸）中活化60秒。
(B)预镀Ni层：将经过第一步(A)处理的基体水洗两次，在预镀液中预镀2min。所述预镀溶液由氯化镍和盐酸组成，用量为1L预镀溶液中含氯化镍200g，盐酸120mL。
(C)电镀Pt层：将经过第一步(B)处理的基体放入镀Pt液中进行电沉积，获得Pt层。工艺参数为：镀铂液温度80℃，电流密度0.5A/dm2，pH值10.5。阳极为铂钛网，阴极为基体，阳极：阴极表面积比≈2。所述镀Pt液成分为：二亚硝基二胺合铂10g/L，氢氧化钠20g/L，桂皮酸1g/L，浓氨水15ml/L，四氟硼酸钾250g/L。电镀时间90min，Pt层厚度约10μm。
第二步，采用电子束物理气相沉积方法制备Sc改性NiAl涂层；
(A)将粘结层料棒置于电子束物理气相沉积设备的坩埚内，并将经过第一步处理后的镀Pt镍基高温合金基体以NiCr丝固定于夹具上；真空室的真空度降至1×10-2～5×10-5Pa，夹具的旋转速度设定为10～20rpm；采用电子束加热高温合金基体至600～900℃，电子束电压17～19kV；
(B)沉积粘结层：电流1.2～2.0A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，沉积速率1.5～2.0μm/min，沉积时间0.5～1h。
第三步，将经过第一步和第二步处理的镍基高温合金基体放入真空热处理炉内进行热处理。热处理温度为1000～1100℃，时间2～6h，真空度小于2×10-2Pa，即可制得界面结合紧密的Sc改性(Ni,Pt)Al粘结层。
对本发明的涂层材料进行循环寿命测试：采用自动高低温循环设备对分别沉积有Sc改性(Ni,Pt)Al与未改性NiAl热障涂层的高温合金试样进行循环寿命测试，循环周期1h，包括1200℃空气中加热50min，炉外空冷10min。当涂层表面的剥落面积达到样品表面积的20%时，即确定为涂层失效。结果表明，循环氧化15h左右，未改性NiAl涂层开始失效，而Sc改性(Ni,Pt)Al涂层在循环氧化150～250h才开始失效。
实施例1：0.05at.%Sc改性NiAl及其改性(Ni,Pt)Al涂层
按照名义成分为Ni49.975Al49.975Sc0.05进行配料，其原材料镍、铝和钪的纯度为质量百分比99.99%。
采用真空电弧熔炼Ni49.975Al49.975Sc0.05铸锭，真空度为1×10-3Pa，电流为700A，铸锭翻炼4次以确保熔炼均匀。对铸锭进行真空均匀化退火处理：1300℃热处理24h，真空度为9.2×10-3Pa。
将铸锭以线切割的方法切出10×8×3mm3的矩形小片，用砂纸打磨光滑，然后依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗15分钟并烘干。记录试样表面积及初始重量。在1200℃循环氧化100h后，NiAl-0.05Sc平均氧化增重为0.98mg/cm2，仅为NiAl合金氧化增重的24%（参见图1所示）；NiAl-0.05Sc质量变化为0.93mg/cm2（参见图2所示），与氧化增重数值0.98mg/cm2相比仅减小了0.05mg/cm2，说明Sc有效提高了NiAl表面氧化膜的抗剥落能力。
用扫描电镜观察氧化膜表面形貌，发现0.05at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密，出现极少量的小块剥落，没有观察到界面孔洞的存在，结果如图3(b)。
用扫描电镜观察氧化膜截面形貌，发现0.05at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整而厚度均匀，没有发生明显的剥落和皱曲,结果如图4(b)。
采用电镀和电子束物理气相沉积的方法在镍基高温合金基体上制备0.05at.%Sc改性(Ni,Pt)Al涂层的工艺为：
（A）电镀Pt层：对基体进行喷砂处理后，放入60℃的碱性清洗液中超声清洗5分钟，随后用去离子水冲洗两次。冲洗后的基体放入活化液中活化60秒。基体水洗两次，在预镀液中预镀2min。随后将基体放入镀Pt液中进行电沉积，沉积时间90min，得到的Pt层厚度约10μm。
（B）将Ni49.975Al49.975Sc0.05铸锭线切割为棒材，并将棒材置于电子束物理气相沉积设备的坩埚内，将经过（A）处理的镍基高温合金基体固定于夹具上；真空室的真空度降至5×10-4Pa，夹具的旋转速度设定为10rpm；采用电子束加热高温合金基体至600℃，电子束电压17kV；
（C）沉积粘结层：电流1.5A，料棒上升速率0.6mm/min，沉积速率1.5μm/min，沉积时间1h；沉积完成后取出样品并放入真空热处理炉内进行热处理，温度1000℃，时间4h，真空度小于2×10-2Pa。制得的涂层结构如图5所示。
采用自动高低温循环设备对制得的0.05at.%Sc改性(Ni,Pt)Al涂层进行循环寿命测试，循环周期1h，包括1200℃空气中加热50min，炉外空冷10min，记录试样的循环次数。结果表明沉积该成分涂层的镍基高温合金在循环氧化168～214h开始失效。
实施例2：0.1at.%Sc改性NiAl及其改性(Ni,Pt)Al涂层
按照名义成分为Ni49.95Al49.95Sc0.1进行配料，其原材料镍、铝和钪的纯度为99.99%。
采用真空电弧熔炼Ni49.95Al49.95Sc0.1铸锭，真空度为5×10-4Pa，电流为850A，铸锭翻炼4次以确保熔炼均匀。对铸锭进行真空均匀化退火处理：1300℃热处理24h，真空度为9.2×10-3Pa。
将铸锭以线切割的方法切出10×8×3mm3的矩形小片，用砂纸打磨光滑，然后依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗15分钟并烘干。记录试样表面积及初始重量。在1200℃循环氧化100h后，NiAl-0.1Sc平均氧化增重为1.24mg/cm2，仅为NiAl合金氧化增重的30%（参见图1所示）；NiAl-0.1Sc质量变化为1.02mg/cm2（参见图2所示），与氧化增重数值减少了0.21mg/cm2，说明NiAl-0.1Sc表面氧化膜也发生了一定程度的剥落。
用扫描电镜观察氧化膜表面形貌，发现0.1at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密，存在少量的小块剥落，没有观察到NiAl/氧化膜界面孔洞的存在，结果如图3(c)。
用扫描电镜观察氧化膜截面形貌，发现0.1at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整，存在厚度不一致的现象，但依然没有发生明显的剥落和皱曲，结果如图4(c)。
采用电子束物理气相沉积的方法在高温合金基体上制备0.1at.%Sc改性(Ni,Pt)Al涂层的工艺方法为：
（A）电镀Pt层：对基体进行喷砂处理后，放入60℃的碱性清洗液中超声清洗5分钟，随后用去离子水冲洗两次。冲洗后的基体放入活化液中活化60秒。基体水洗两次，在预镀液中预镀2min。随后将基体放入镀Pt液中进行电沉积，沉积时间90min，得到的Pt层厚度约10μm。
（B）将Ni49.95Al49.95Sc0.1铸锭线切割为棒材，并将棒材置于电子束物理气相沉积设备的坩埚内，将经过（A）处理的镍基高温合金基体固定于夹具上；真空室的真空度降至5×10-4Pa，夹具的旋转速度设定为15rpm；采用电子束加热高温合金基体至700℃，电子束电压18kV；
（C）沉积粘结层：电流1.8A，料棒上升速率0.8mm/min，沉积速率1.8μm/min，沉积时间45min；沉积完成后取出样品并放入真空热处理炉内进行热处理，温度1050℃，时间3h，真空度小于2×10-2Pa。得到的涂层厚度及结构与实施例1基本相同。
对制得的0.1at.%Sc改性(Ni,Pt)Al涂层进行循环寿命测试，结果显示沉积该涂层的镍基高温合金在循环氧化226～248h才开始失效。
实施例3：0.3at.%Sc改性NiAl及其改性(Ni,Pt)Al涂层
按照名义成分为Ni49.85Al49.85Sc0.3进行配料，其原材料镍、铝和钪的纯度为99.99%。
采用真空电弧熔炼Ni49.85Al49.85Sc0.3铸锭，真空度为5×10-4Pa，电流为1000A，铸锭翻炼4次以确保熔炼均匀。对铸锭进行真空均匀化退火处理：1300℃热处理24h，真空度为9.2×10-3Pa。
将铸锭以线切割的方法切出10×8×3mm3的矩形小片，用砂纸打磨光滑，然后依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗15分钟并烘干。记录试样表面积及初始重量。在1200℃循环氧化100h后，NiAl-0.3Sc平均氧化增重为2.31mg/cm2，仅为NiAl合金氧化增重的近一半（参见图1所示）；NiAl-0.3Sc质量变化为1.40mg/cm2（参见图2所示），与氧化增重数值减少了0.91mg/cm2，说明NiAl-0.3Sc表面氧化膜发生了剥落。
用扫描电镜观察氧化膜表面形貌，发现0.3at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密，存在小块的剥落，没有观察到NiAl/氧化膜界面孔洞的存在，结果如图3(d)。
用扫描电镜观察氧化膜截面形貌，发现0.3at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整，存在厚度不一致的现象，但依然没有发生明显的剥落和皱曲,结果如图4(d)。
采用电子束物理气相沉积的方法在高温合金基体上制备0.3at.%Sc改性(Ni,Pt)Al涂层的工艺为：
（A）电镀Pt层：对基体进行喷砂处理后，放入60℃的碱性清洗液中超声清洗5分钟，随后用去离子水冲洗两次。冲洗后的基体放入活化液中活化60秒。基体水洗两次，在预镀液中预镀2min。随后将基体放入镀Pt液中进行电沉积，沉积时间90min，得到的Pt层厚度约10μm。
（B）将Ni49.85Al49.85Sc0.3铸锭线切割为棒材，并将棒材置于电子束物理气相沉积设备的坩埚内，将将经过（A）处理的镍基高温合金基体固定于夹具上；真空室的真空度降至5×10-4Pa，夹具的旋转速度设定为20rpm；采用电子束加热高温合金基体至800℃，电子束电压19kV；
（C）沉积粘结层：电流2.0A，料棒上升速率1.0mm/min，沉积速率2.0μm/min，沉积时间30min；沉积完成后取出样品并放入真空热处理炉内进行热处理，温度1100℃，时间2h，真空度小于2×10-2Pa。制得的涂层厚度及结构与实施例1、例2基本相同。
对制得的0.3at.%Sc改性(Ni,Pt)Al涂层进行循环寿命测试，结果显示沉积该成分涂层的高温合金在循环氧化152～173h开始失效。

Claims (8)

1.一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料的制备方法，其特征是：
第一步，采用电镀方法在基体上制备Pt层；
第二步，采用电子束物理气相沉积方法在Pt层上制备活性元素Sc改性的NiAl层；
第三步，将经过第二步处理的镍基高温合金基体放入真空热处理炉内进行热处理，即制得界面结合紧密的Sc改性(Ni,Pt)Al粘结层。
2.根据权利要求1所述的一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料的制备方法，其特征是，第一步具体步骤如下：
（A）基体预处理：在液体喷砂机中用200目石英砂对基体表面进行喷砂处理；喷砂处理后，将基体放入60℃的配方为30g NaOH、130g Na2CO3、30g Na3PO4和去离子水组成的1L碱性清洗液中超声清洗5分钟，随后用去离子水冲洗；冲洗后的基体放入活化液中活化60秒；
(B)预镀Ni层：将活化后基体水洗两次，在预镀液中预镀2min；预镀液为冲击镀镍溶液，由氯化镍和盐酸组成；配方为1L预镀溶液中含氯化镍200g，盐酸120mL；
(C)电镀Pt层：将经过(B)处理的基体放入镀Pt液中进行电沉积，获得Pt层；工艺参数为：镀铂液温度80℃，电流密度0.5A/dm2，pH值10.5；阳极为铂钛网，阴极为基体，阳极：阴极表面积比≈2；所述镀Pt液成分为：二亚硝基二胺合铂10g/L，氢氧化钠20g/L，桂皮酸1g/L，浓氨水15ml/L，四氟硼酸钾250g/L；电镀时间90min。
3.根据权利要求2所述的一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料的制备方法，其特征是：所述的活化液中，1L活化液含有100mL36wt.%盐酸。
4.根据权利要求1所述的一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料的制备方法，其特征是，第二步具体步骤如下：
（a）将粘结层料棒置于电子束物理气相沉积设备的坩埚内，并将镀Pt后的镍基高温合金基体以NiCr丝固定于夹具上；真空室的真空度降至1×10-2～5×10-5Pa，夹具的旋转速度设定为10～20rpm；采用电子束加热高温合金基体至600～900℃，电子束电压17～19kV；
（b）沉积粘结层：电流1.2～2.0A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，沉积速率1.5～2.0μm/min，沉积时间0.5～1h。
5.根据权利要求4所述的一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料的制备方法，其特征是：所述的粘结层棒料的制备方法为：按照成分配比称取纯度为99.99wt.%的Ni、纯度为99.99wt.%的Al以及纯度为99.99wt.%的活性元素Sc，将称量好的原料置入真空电弧炉内，在真空度为1×10-3～5×10-5Pa，电流为700～1000A的条件下，翻炼四次制得NiAl-Sc铸锭；随后对铸锭进行温度为1300℃，时间为24h，真空度为9.2×10-3Pa的均匀化退火处理；所述的成分配比为，Sc的原子百分比为0.05～0.3%，Ni和Al的原子比为1:1。
6.根据权利要求1所述的一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料的制备方法，其特征是：第三步中热处理参数为，温度1000～1100℃，时间2～6h，真空度小于2×10-2Pa。
7.一种活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料，其特征是：由活性元素Sc改性的NiAl层和Pt层构成，所述的活性元素Sc改性的NiAl层中，Sc的原子百分比为0.05～0.3%，Ni和Al的原子比为1:1；Pt层厚度为10μm；所述的Pt层位于活性元素Sc改性的NiAl层和基体之间。
8.根据权利要求7所述的活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料，其特征是：所述的Sc改性NiAl层的具体成分为NiAlSc0.05、NiAlSc0.1、NiAlSc0.3。
CN201310712377.5A 2013-12-20 2013-12-20 活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法 Expired - Fee Related CN103667795B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310712377.5A CN103667795B (zh) 2013-12-20 2013-12-20 活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310712377.5A CN103667795B (zh) 2013-12-20 2013-12-20 活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103667795A true CN103667795A (zh) 2014-03-26
CN103667795B CN103667795B (zh) 2015-12-02

Family

ID=50306563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310712377.5A Expired - Fee Related CN103667795B (zh) 2013-12-20 2013-12-20 活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103667795B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103966615A (zh) * 2014-04-11 2014-08-06 北京航空航天大学 一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法
CN105350042A (zh) * 2015-10-28 2016-02-24 上海大学 涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法
CN109136850A (zh) * 2018-08-21 2019-01-04 中国科学院金属研究所 一种NiCrAlYSc涂层及其制备工艺
CN110172703A (zh) * 2019-05-27 2019-08-27 昆明理工大学 一种提高镍基合金上高温涂层寿命的方法
CN110735162A (zh) * 2019-10-18 2020-01-31 齐鲁工业大学 一种Hf改性的PtAl涂层及制备方法与应用
CN114703399A (zh) * 2022-04-12 2022-07-05 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 β-(Ni,Pt)Al耐高温材料及应用、β-(Ni,Pt)Al粘结层的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020192496A1 (en) * 2000-02-09 2002-12-19 Grylls Richard J. Method for modifying stoichiometric NiA1 coatings applied to turbine airfoils by thermal processes
CN101255515A (zh) * 2008-04-08 2008-09-03 北京航空航天大学 抗高温氧化的镍-铝-镝粘结层材料及热障涂层的制备
CN101586242A (zh) * 2009-06-26 2009-11-25 上海大学 一种Pt改性的Ni3Al基涂层及其制备方法
US20100154425A1 (en) * 2008-12-24 2010-06-24 United Technologies Corporation Strain tolerant thermal barrier coating system
CN102615914A (zh) * 2012-03-23 2012-08-01 上海大学 Pt改性的热障涂层及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020192496A1 (en) * 2000-02-09 2002-12-19 Grylls Richard J. Method for modifying stoichiometric NiA1 coatings applied to turbine airfoils by thermal processes
CN101255515A (zh) * 2008-04-08 2008-09-03 北京航空航天大学 抗高温氧化的镍-铝-镝粘结层材料及热障涂层的制备
US20100154425A1 (en) * 2008-12-24 2010-06-24 United Technologies Corporation Strain tolerant thermal barrier coating system
CN101586242A (zh) * 2009-06-26 2009-11-25 上海大学 一种Pt改性的Ni3Al基涂层及其制备方法
CN102615914A (zh) * 2012-03-23 2012-08-01 上海大学 Pt改性的热障涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HONGBO GUO等: "Effect of Dy on oxide scale adhesion of NiAl coatings at 1200℃", 《CORROSION SCIENCE》, vol. 53, 16 March 2011 (2011-03-16), pages 2228 - 2232 *
K. SHIRVANI等: "Microstructures and cyclic oxidation behaviour of Pt-free and low-Pt NiAl coatings on the Ni-base superalloy Rene-80", 《CORROSION SCIENCE》, vol. 55, 6 November 2011 (2011-11-06), pages 378 - 384, XP028339912, DOI: doi:10.1016/j.corsci.2011.10.037 *
李猛进等: "Pd-Ni-Al涂层的高温长期氧化行为", 《金属学报》, vol. 39, no. 7, 31 July 2003 (2003-07-31), pages 755 - 760 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103966615A (zh) * 2014-04-11 2014-08-06 北京航空航天大学 一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法
CN103966615B (zh) * 2014-04-11 2016-06-29 北京航空航天大学 一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法
CN105350042A (zh) * 2015-10-28 2016-02-24 上海大学 涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法
CN105350042B (zh) * 2015-10-28 2018-03-06 上海大学 涂覆于高温合金表面的β‑（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法
CN109136850A (zh) * 2018-08-21 2019-01-04 中国科学院金属研究所 一种NiCrAlYSc涂层及其制备工艺
CN109136850B (zh) * 2018-08-21 2021-01-15 中国科学院金属研究所 一种NiCrAlYSc涂层及其制备工艺
CN110172703A (zh) * 2019-05-27 2019-08-27 昆明理工大学 一种提高镍基合金上高温涂层寿命的方法
CN110735162A (zh) * 2019-10-18 2020-01-31 齐鲁工业大学 一种Hf改性的PtAl涂层及制备方法与应用
CN114703399A (zh) * 2022-04-12 2022-07-05 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 β-(Ni,Pt)Al耐高温材料及应用、β-(Ni,Pt)Al粘结层的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103667795B (zh) 2015-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103667795B (zh) 活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高温氧化粘结层材料及其制备方法
CN103966615B (zh) 一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法
Zhang Electrodeposited MCrAlY coatings for gas turbine engine applications
CN101269557B (zh) 一种采用电镀与电子束物理气相沉积组合制备复合粘结层的方法
CN105603424A (zh) 一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法
CN103590002A (zh) 一种镍基高温合金Al-Cr涂层的制备方法
Liu et al. Electro-deposition metallic tungsten coatings in a Na2WO4–WO3 melt on copper based alloy substrate
CN108642535B (zh) 一种二氧化铈改性铝化物梯度涂层体系的制备方法
CN107937874B (zh) 一种在铌合金表面制备Pt-Al高温防护涂层的方法
CN105624522A (zh) 一种单相铂改性铝化物涂层及其制备工艺
CN103484824B (zh) 一种抗1200℃高温氧化耐燃气热腐蚀的复合粘结层材料及其制备方法
CN102560599A (zh) 钛合金表面原位生长氧化膜的制备方法
CN101008095A (zh) 脉冲镀银方法
Allahyarzadeh et al. Electrodeposition on superalloy substrates: a review
CN103060747B (zh) 一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备Y改性CoAlNi涂层的方法
CN110306216B (zh) 一种活性元素Re改性β-(Ni,Pt)-Al涂层及其制备工艺
CN110616444A (zh) 一种铂/二氧化铈共改性铝化物涂层及其制备方法
Lee et al. Nucleation and growth of zinc particles on an aluminum substrate in a zincate process
CN117107311A (zh) 一种Pt改性的叶片叶尖防护涂层及其制备方法
CN105531398B (zh) 经热屏蔽涂覆的Ni合金部件及其制造方法
CN108950489A (zh) 一种Pt和Y改性的梯度Al涂层及其制备工艺
Hu et al. Discharge channel structure revealed by plasma electrolytic oxidation of AZ31Mg alloy with magnetron sputtering Al layer and corrosion behaviors of treated alloy
CN109778131B (zh) 一种在C/SiC复合材料表面制备薄膜热电偶的方法
CN103526246A (zh) 一种发动机转子表面复合Al-Ni镀层的方法
Lee et al. Electroless copper electrolytes and its surface characteristics for semiconductor interconnects

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151202

Termination date: 20161220

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee