CN104357782A

CN104357782A - 一种降低高温合金与防护涂层界面元素互扩散的方法

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Publication number: CN104357782A
Application number: CN201410648586.2A
Authority: CN
Inventors: 于月光; 张淑婷; 沈婕; 王辉; 郭东海; 周恒�; 李金�
Original assignee: Bgrimm Advanced Materials Science & Technology Co ltd; Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Bgrimm Advanced Materials Science & Technology Co ltd; Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-02-18

Abstract

一种降低高温合金与防护涂层界面元素互扩散的方法，以及所使用的多元MCrAlYX合金粉末及粉末、涂层制备方法，该合金粉末的化学组成及杂质含量：Cr：15～32wt％；Al：3.0～10wt％；Y：0.1～3.0wt％；X：0～15％，X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合；杂质O：≤500ppm，N：≤50ppm，H：≤50ppm，C：≤200ppm；M余量，M是Fe、Co、Ni等合金元素。本发明解决了高温环境下因微量元素扩散，基材使用温度和力学性能下降的问题，以及多元MCrAlYX合金粉末制备过程中钢液温度过高引起的氧化物夹杂含量过高的问题。

Description

一种降低高温合金与防护涂层界面元素互扩散的方法

技术领域

本发明属于热喷涂涂层材料领域，涉及一种降低新一代高温合金与防护涂层基体/界面互扩散的MCrAlYX合金粉末、涂层及制备方法。

背景技术

新一代高温合金由于其优秀的高温机械性能，目前已经成为航空发动机叶片的首选材料。为了进一步提高其使用温度和合金的高温力学性能，我国新一代高温合金(例如DD6、DZ125、DZ40等)中加入了多种具有强化作用的稀土及难熔合金元素(例如Ti、Mo、Hf、Re、Ta、Nb等)，进一步提高使用温度(可提高50-100℃)和高温力学性能，合金体系元素种类已超过10种。MCrAlY(M：Co、Ni或Co+Ni)涂层具有优良的高温抗氧化和热腐蚀性能，是目前最常用的高温合金用防护涂层材料，该材料具有喷涂后涂层组织均匀，结合强度高，抗高温氧化、耐熔盐腐蚀性能优越等特点，对提高新一代高温合金叶片抗高温氧化、抗热腐蚀性能和延长叶片的使用寿命做出了巨大贡献。然而，高温下，MCrAlY涂层与高温合金基体间不可避免会发生元素互扩散，互扩散虽然可提高涂层和基体之间的结合力，但目前广泛使用的MCrAlY涂层以4或5元合金体系为主，与基体合金材料体系(≥10种元素)差别较大，在扩散过程中因基体和涂层微量元素浓度梯度差较大，会造成基体中强化元素含量显著下降，严重影响合金基体的高温性能，如高温抗氧化性能、高温拉伸、高温疲劳等力学性能大幅度下降(≥20％)。

多组元、成分均匀、氧含量及杂质含量低是目前高温防护用MCrAlY涂层材料的发展趋势，合金材料体系中除Ni、Co、Cr、Al、Y等合金元素外，同时还含有Ta、Hf、Ti、Nb、Re、Si等元素。随着添加上述微量强化元素，可以减小涂层材料与基体材料之间微量元素的浓度梯度差，从而在不降低涂层高温抗氧化及抗腐蚀性能的同时，可有效抑制基体中微量元素向涂层扩散。然而，随着高熔点、难熔合金元素的添加，合金钢液的熔点升高。雾化过程中为了保证合金钢液的流动性及粉末的形貌、粒度大小及分布的控制，合金钢液需具有一定的过热度，导致钢液的雾化温度更高，钢液与熔炼坩埚之间的反应加剧，从而使合金粉末中氧化物夹杂含量升高，影响了涂层材料的使用性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低高温合金与防护涂层界面元素互扩散的方法，以及所使用的多元MCrAlYX合金粉末及制备方法，降低新一代高温合金与防护涂层基体/界面互扩散，该热喷涂合金粉末抗氧化及抗腐蚀性能优异，可以解决我国新一代复杂体系高温合金与简单体系的防护涂层材料不匹配，导致在高温环境下因微量元素扩散基材使用温度和力学性能下降的问题，以及制备多元MCrAlYX合金粉末在制备过程中因钢液温度过高引起的氧化物夹杂含量过高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种多元MCrAlYX合金粉末，该合金粉末的化学组成及杂质含量如下：Cr：15～32wt％，Al：3.0～10wt％，Y：0.1～3.0wt％，X：0～15％(X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合)，O：≤500ppm，N：≤50ppm，H：≤50ppm，C：≤200ppm，M(M是Fe、Co、Ni等合金元素)余量。

本发明中，热喷涂合金粉末粒度为15～105μm。

本发明中，热喷涂合金粉末的流动性为≤25s/50g，松装密度为：3.5～4.5g/cm³。

一种多元MCrAlYX合金粉末的制备方法，制备方法为真空熔炼-热气雾化技术，热气雾化是利用电加热使雾化气体温度升高至100～500℃，并增大雾化气流速度，气流的流动速度约为1.0～3.0马赫，该气流直接冲击液态金属流使其雾化成微小的液滴，随后快速冷凝成合金粉末。与常规的真空熔炼-惰气雾化技术制备合金粉末技术相比，真空熔炼-热气雾化技术可以通过提高雾化气体温度，增大雾化气体动能，在实现粉末形貌、粒度大小及分布控制的同时，可降低钢液过热度，从而降低合金粉末中的氧化物夹杂含量，提高涂层材料的使用性能。

一种多元MCrAlYX合金涂层的制备方法，采用等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺在新一代高温合金基材上制备涂层，并对涂层进行真空热处理。热处理工艺具体如下：在1000～1100℃，热处理4～8h后，在800～900℃进行15～30h时效处理。

一种降低高温合金与防护涂层界面元素互扩散的方法，采用本发明提供的真空熔炼-热气雾化方法制备本发明的多元MCrAlYX合金粉末，并采用本发明提供的方法制备涂层。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明热喷涂合金粉末制备的涂层可有效抑制基体中添加的强化元素如Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等微量元素向涂层中扩散。

2、采用本发明热喷涂合金粉末制备的涂层与基体结合处微量元素浓度梯度差、高温拉伸、蠕变等力学性能下降额度降低一倍以上(由下降20％，降低至≤10％)。

3、采用本发明热喷涂合金粉末制备的涂层具有优异的高温(1100℃)抗氧化性能，经过1100℃×500h静态氧化实验后，涂层增重速率≤0.05g/m²·h。

4、采用本发明热喷涂合金粉末制备的涂层具有优异的低温(35℃)和高温(900℃)抗腐蚀性能。经过35℃×1000h盐雾试验后，涂层无明显变化；经过900℃×200h高温腐蚀试验后，涂层腐蚀增重≤0.1mg/mm²。

附图说明

图1为实例1中NiCoCrAlYTiTaHf合金粉末SEM形貌。

图2为实例2中NiCoCrAlYTaReNbHf合金粉末SEM形貌。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明中，一种多元MCrAlYX合金粉末制备及检测包括如下步骤：

步骤1：熔炼上述热喷涂涂层材料或合金锭。

步骤2：采用真空感应熔炼-热气雾化法将步骤1得到的合金锭制成粉末。

本发明中，热气雾化是利用电加热使雾化气体温度升高至100～500℃，并增大雾化气流速度，气流的流动速度约为1.0～3.0马赫，该气流直接冲击液态金属流(钢液过热度50～200℃)使其雾化成微小的液滴，随后快速冷凝成合金粉末。

步骤3：将步骤2制备的合金粉末惰性气体保护分级。

步骤4：对步骤3得到的粉末进行流动性和松装密度测定。

步骤5：对步骤3制备的合金粉末进行化学成分及杂质含量分析。

步骤6：采用等离子喷涂技术或超音速火焰喷涂技术和真空热处理技术将步骤3制备的合金粉末进行抗氧化及腐蚀试验样品制备。

本发明中，热喷涂合金粉末采用等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺在新一代高温合金基材上制备涂层，并对涂层进行真空热处理。热处理工艺具体如下：在1000～1100℃，热处理4～8h后，在800～900℃进行15～30h时效处理。

步骤7：将步骤6制备的样品进行SEM分析、抗氧化性能和抗腐蚀性能试验。

实施例1

步骤1：使用真空感应炉熔炼喷涂材料合金锭，原料纯度不低于98wt％，配料按表1进行。

表1合金粉末配料表

元素

Ni

Co

Cr

Al

Y

Ti

Ta

Hf

含量(wt％)

余量

22

30

8

0.9

2

1.5

步骤2：采用真空感应熔炼-热气雾化法将步骤1得到的金属原料或合金锭制成粉末。气体温度升高至200℃，气流的流动速度约为1.5马赫，钢液过热度150℃。

步骤3：将步骤2制备的合金粉末在惰气保护气氛下分级，使粉末粒度为28～53μm(图1)。

步骤4：对步骤3得到的粉末进行流动性和松装密度测定，粉末的流动性为19.05s/50g，松装密度为3.98g/cm³。

步骤5：对步骤3制备的合金粉末进行化学成分及杂质含量分析。结果如表2所示。

表2热喷涂涂层材料的化学成分及杂质含量。

元素

Ni

Co

Cr

Al

Y

Ti

含量(wt％)

余量

22.01

29.82

7.86

0.56

1.82

元素

Ta

Hf

O

N

H

C

含量(wt％)

1.94

1.48

0.0218

0.0035

0.0001

0.012

步骤6：采用超音速火焰喷涂技术和真空热处理技术将步骤3制备的合金粉末在DZ125高温合金上进行抗氧化及腐蚀试验样品制备。

步骤7：将步骤6制备的样品进行SEM分析、抗氧化性能和抗腐蚀性能试验。该热喷涂涂层可有效抑制基体中Ti、Hf、Ta等微量元素向涂层中扩散，涂层与基体结合处微量元素浓度梯度差≤6.2％，涂层900℃的高温拉伸强度下降≤8％。涂层经过1100℃×200h静态氧化实验后，涂层增重速率0.032g/m²·h；经过35℃×1000h盐雾试验后，涂层无明显变化；经过900℃×200h高温腐蚀试验后，涂层腐蚀增重0.07mg/mm²。

实施例2

步骤1：使用真空感应炉熔炼喷涂材料合金锭，原料纯度不低于98wt％，配料按表3进行。

表3合金粉末配料表

元素	Ni	Co	Cr	Al	Y	Ta	Re	Nb	Hf
										含量(wt％)	余量	22	30	8	1	7.5	2	.0.5	0.5

步骤2：采用真空感应熔炼-热气雾化法将步骤1得到的金属原料或合金锭制成粉末。气体温度加热至400℃，气流的流动速度约为2.5马赫，钢液过热度100℃。

步骤3：将步骤2制备的合金粉末在惰气保护气氛下分级，使粉末粒度为15～53μm(图2)。

步骤4：对步骤3得到的粉末进行流动性和松装密度测定，粉末的流动性为21.05s/50g，松装密度为4.12g/cm³。

步骤5：对步骤3制备的合金粉末进行化学成分及杂质含量分析。结果如表4所示。

表4热喷涂涂层材料的化学成分及杂质含量

元素	Ni	Co	Cr	Al	Y	Ta	Re
								含量(wt％)	余量	21.98	28.64	7.68	0.69	7.3	1.87
元素	Nb	Hf	O	N	H	C
								含量(wt％)	0.46	0.48	0.0198	0.0035	0.0002	0.009

步骤6：采用低压等离子喷涂技术和真空热处理技术将步骤3制备的合金粉末在DD6高温合金上进行抗氧化及腐蚀试验样品制备。

步骤7：将步骤6制备的样品进行SEM分析、抗氧化性能和抗腐蚀性能试验。该热喷涂涂层可有效抑制基体中Ta、Re、Hf、Nb等微量元素向涂层中扩散，涂层与基体结合处微量元素浓度梯度差≤5.8％，涂层900℃的高温拉伸强度下降≤9.6％。经过1100℃×200h静态氧化实验后，涂层增重速率0.028g/m²·h；经过35℃×1000h盐雾试验后，涂层无明显变化；经过900℃×200h高温腐蚀试验后，涂层腐蚀增重0.06mg/mm²。

Claims

1.一种多元MCrAlYX合金粉末，其特征在于，该合金粉末的化学组成及杂质含量如下：Cr：15～32wt％；Al：3.0～10wt％；Y：0.1～3.0wt％；X：0～15％，X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合；杂质O：≤500ppm，N：≤50ppm，H：≤50ppm，C：≤200ppm；M余量，M是Fe、Co、Ni合金元素。

2.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末粒度为15～105μm。

3.根据权利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末的流动性为≤25s/50g，松装密度为：3.5～4.5g/cm³。

4.根据权利要求1所述的合金粉末的制备方法，制备方法为真空熔炼-热气雾化技术，热气雾化是利用电加热使雾化气体温度升高至100～500℃，并增大雾化气流速度，气流的流动速度为1.0～3.0马赫，该气流直接冲击液态金属流使其雾化成微小的液滴，随后快速冷凝成合金粉末。

5.根据权利要求1所述的合金粉末涂层的制备方法，采用等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺在基材上制备涂层，并对涂层进行真空热处理，热处理工艺具体如下：在1000～1100℃，热处理4～8h后，在800～900℃进行15～30h时效处理。

6.一种降低高温合金与防护涂层界面元素互扩散的方法，其特征在于，采用权利要求4所述的方法制备权利要求1-3任一权利要求所述的多元MCrAlYX合金粉末，采用权利要求5所述的方法制备涂层。