CN105401147B - 一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法，从下到上依次由基体、第一Al2O3扩散障层、Ni(O)层及耐蚀合金层组成。本发明利用热处理工艺采用原位生长的方法生长Al2O3扩散障层，制备方法简单，结合性力强，成本低，并且氧容易通过空位等缺陷运动进行扩散。

Description

一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面合金化及涂层技术领域，涉及一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法。
背景技术
金属合金部件的表面防护涂层在高温环境中服役时，基体合金与涂层的元素成分差异会不可避免地造成基体与涂层元素的互扩散问题，从而降低涂层使用寿命。例如在燃机发动机叶片表面施加的MCrAlY合金涂层可有效提高基体抗氧化能力，但合金涂层中的Al元素向基体合金的扩散及高温合金基体中有益元素的外扩散降低了合金表面氧化膜的稳定性；在熔盐反应堆环境中化学稳定性高的Ni防护涂层配合基体合金长期服役时，基体中的元素如活性元素Cr的外扩散造成基体在熔盐中的快速溶解，从而丧失了Ni涂层对基体应有的有效防护。
鉴于互扩散是影响表面防护涂层服役寿命的关键因素，有必要在涂层和基体之间引入扩散阻挡层，通过阻止合金元素的扩散而确保保护涂层成分与结构的长期稳定性。“氧化物扩散障/金属耐蚀层”复合涂层体系的设计在高温涂层领域已有研究应用，由于合金元素在氧化物陶瓷中的扩散系数远小于其在金属中的数值，Al2O3扩散障可有效抑制涂层与合金之间的元素互扩散。氧化物陶瓷扩散障的现有制备工艺主要包括磁控溅射、多弧离子镀等物理气相沉积方法(PVD)和预氧化热生长方法。其中PVD要求设备真空、成本高昂，制备的扩散阻挡层与基体间为物理结合，常因热膨胀系数不匹配存在结合力差、易脱落的问题。
与PVD相比，热生长方法所需设备简单，价格低廉；氧化物涂层与基体之间的化学结合能显著提高氧化物与基体粘附性；可通过控制反应条件对氧化物涂层进行成分厚度调控。在以往的研究工作中，热生长制备氧化物扩散障所需的氧通常由另一种金属氧化物提供，例如通过在合金表面沉积氧化锆或镍铬氧化物层，利用该化合物中的晶格氧为氧化铝扩散障的生成提供所必须的氧，然而氧活性较低，很难通过空位等缺陷运动进行扩散。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法，该高温耐蚀涂层及其制备方法利用热处理工艺采用原位生长的方法生长Al2O3扩散障层，制备方法简单，结合性力强，成本低，另外利用Ni(O)固溶体层作为氧化铝生成的氧来源，与氧化物中以化合态形式存在的O不同，Ni(O)固溶体中的氧活性更高，更容易通过空位等缺陷运动进行扩散。
为达到上述目的，本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层从下到上依次由含铝或表面层含铝的基体、第一Al2O3扩散障层、Ni(O)层及耐蚀合金层组成。
所述Ni(O)层与耐蚀合金层之间设有第二Al2O3扩散障层。
本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法包括以下步骤：
制备Ni(O)固溶体粉末，在含铝基体表面以Ni(O)固溶体粉末为原料采用冷喷涂技术沉积Ni(O)层，然后在Ni(O)层表面沉积耐蚀合金层，再进行热处理，使含铝基体中的Al与Ni(O)层中的氧发生反应，并在富Al层与Ni(O)层界面原位生长第一Al2O3扩散障层，同时当耐蚀合金层为含Al合金时，耐蚀合金层中的Al与Ni(O)层的氧发生反应，并在Ni(O)层与耐蚀合金层界面形成第二Al2O3扩散障层。
当采用的基体合金Al含量低于3wt.％时，则在基体表面预制富Al层。
所述预制富铝层通过冷喷涂或热扩散的方法获得，预制富铝层的厚度为10-100微米，预制富铝层中的Al含量为5-100wt.％。
通过对金属Ni粉进行机械合金化制备Ni(O)固溶体粉末，用于冷喷涂制备Ni(O)层采用的金属Ni粉的粒径为10-100微米。
Ni(O)层的厚度为10-100微米。
耐蚀合金层的厚度为50-800微米，耐蚀合金层包括Al、Cr、Fe、Ni、Co、Ta、Y中的一种或多种。
热处理过程中的温度为700-1000℃，并且热处理的过程中真空或者惰性气体的保护下进行。
在基体表面沉积涂层之前还包括：将基体依次经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法在具体操作时，采用冷喷涂技术将高含氧量的Ni(O)固溶体粉末完好地保留在Ni(O)涂层中，然后利用Ni(O)层作为氧化铝生成的氧来源，与氧化物中以化合态形式存在的O不同，Ni(O)固溶体中的氧活性更高，更容易通过空位等缺陷运动进行扩散，从而为Al2O3扩散障层的原位连续生长提供氧源，通过采用本发明制备的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层中Al2O3扩散障层的结合性力强，成本低，并且制备方法简单。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2(a)为本发明的实施例一中原始Ni粉的表面形貌图；
图2(b)为本发明的实施例一中Ni(O)固溶体粉末的表面形貌图；
图3(a)为本发明的实施例一中冷喷涂富铝层、Ni(O)层和Ni耐蚀外层后的复合涂层截面形貌图；
图3(b)为本发明的实施例一图3(a)中复合涂层的元素分布图；
图4(a)为本发明的实施例一中Al2O3扩散障层的形貌图；
图4(b)为图4(a)中A处的放大图；
图5(a)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Co的能谱EDS元素分布曲线；
图5(b)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Ni的能谱EDS元素分布曲线；
图5(c)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Al的能谱EDS元素分布曲线；
图5(d)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Cr的能谱EDS元素分布曲线；
图5(e)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中O的能谱EDS元素分布曲线；
图6(a)为实施例二中基体/涂层界面处Al2O3扩散障层的形貌图；
图6(b)为图6(a)中B处的放大图；
图7(a)为实施例三种基体/涂层界面处Al2O3扩散障层的形貌图；
图7(b)为图7(a)中C处的放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层从下到上依次由含铝或表面层含铝的基体、第一Al2O3扩散障层、Ni(O)层及耐蚀合金层组成。
所述Ni(O)层与耐蚀合金层之间设有第二Al2O3扩散障层。
本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法包括以下步骤：
制备Ni(O)固溶体粉末，在含铝基体表面以Ni(O)固溶体粉末为原料采用冷喷涂技术沉积Ni(O)层，然后在Ni(O)层表面沉积耐蚀合金层，再进行热处理，使含铝基体中的Al与Ni(O)层中的氧发生反应，并在富Al层与Ni(O)层界面原位生长第一Al2O3扩散障层，同时当耐蚀合金层为含Al合金时，耐蚀合金层中的Al与Ni(O)层的氧发生反应，并在Ni(O)层与耐蚀合金层界面形成第二Al2O3扩散障层。
其中，Ni(O)固溶体粉末也可以采用商业化的金属Ni(O)粉末。
当采用的基体合金Al含量低于3wt.％时，则在基体表面预制富Al层。
所述预制富铝层通过冷喷涂或热扩散的方法获得，预制富铝层的厚度为10-100微米，预制富铝层中的Al含量为5-100wt.％。
通过对金属Ni粉进行机械合金化制备Ni(O)固溶体粉末，采用的金属Ni粉的粒径为10-100微米。
Ni(O)层的厚度为10-100微米。
耐蚀合金层的厚度为50-800微米，耐蚀合金层包括Al、Cr、Fe、Ni、Co、Ta、Y中的一种或多种。
热处理过程中的温度为700-1000℃，并且热处理的过程中真空或者惰性气体的保护下进行。
在基体表面沉积涂层之前还包括：将基体依次经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干。
实施例一
以316SS不锈钢为基体(成分见表1)，将基体依次经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干。
表1 316SS的名义成分
通过冷喷涂技术在316SS不锈钢表面沉积厚度为20-50微米的富铝层，富铝层成分为Co:23wt.％，Cr：20wt.％，Al:8.5wt.％，Ta:4.0wt.％,Y:0.6，Ni余量。
采用机械合金化方法制备Ni(O)固溶体粉末，将粒度为63-75μm的球形Ni粉置于不锈钢球磨罐中，球料比为10:1，不锈钢球大(12mm)、中(10mm)、小(6mm)球的数量比例约为1:10:3，转速150r/min，机械合金化8h后粉末粒径约为30μm，参考图2，再经定氧仪(RO-316，LECO)测定，当处理时间为8h时，Ni(O)固溶体粉末的氧含量为3.2wt.％。
316SS不锈钢在沉积富铝层之前经喷砂处理，以去除表面污染物，提高涂层结合强度，冷喷涂工艺参数列于表2，内层采用球磨处理后的Ni(O)粉末喷涂，外层采用原始Ni粉喷涂。图3为冷喷涂Ni(O)层和Ni耐蚀外层后的复合涂层截面形貌，其中，内层厚度约为20-50μm，外层厚度约为150-200μm。
表2
将沉积了富铝层的316SS不锈钢封装于充氩气保护的石英管中，在马弗炉中于800℃保温50小时，得到的氧化物扩散障层截面形貌如图4所示。热处理后316SS不锈钢与Ni界面处生成连续的平均厚度约为1-3μm的Al2O3扩散障层。利用能谱EDS对样品进行扫描，得到的Al2O3扩散障层的主要成分见表3，元素分布结果见图4。
表3
实施例二
以316SS不锈钢为基体，将316SS不锈钢依次经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干；
通过冷喷涂技术在316SS不锈钢表面沉积厚度为20-50微米的富铝层，富铝层的成分为Co:23wt.％，Cr：20wt.％，Al:8.5wt.％，Ta:4.0wt.％,Y:0.6，Ni余量；
Ni(O)固溶体粉末的制备采用机械合金化方法，将粒度为63-75μm的球形Ni粉置于不锈钢球磨罐中，球料比为10:1，其中，不锈钢球大(12mm)、中(10mm)、小(6mm)球的数量比例约为1:10:3，转速150r/min，处理时间为8h；
316SS不锈钢表面在沉积富铝层之前经喷砂处理，以去除表面污染物，提高涂层结合强度，冷喷涂工艺参数列于表2，内层采用球磨处理后的Ni(O)粉末喷涂，外层采用原始Ni粉喷涂，其中内层厚度约为90-110μm，外层厚度约为150-200μm；
将沉积了Ni层的316SS不锈钢封装于充氩气保护的石英管中，在马弗炉中于900℃保温20小时，得到的氧化物扩散障层截面形貌如图6(a)及图6(b)示，热处理后316SS不锈钢与Ni界面处生成连续的平均厚度约为1-3μm的氧化物，利用能谱EDS对样品进行扫描，得到的氧化物涂层的主要成分见表4。
表4
实施例三
以316SS不锈钢为基体，将316SS不锈钢以及经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干。
通过冷喷涂技术在316SS不锈钢表面沉积厚度为20-50微米的富铝层，富铝层的成分为Co:23wt.％，Cr：20wt.％，Al:8.5wt.％，Ta:4.0wt.％,Y:0.6，Ni余量。
采用机械合金化方法制备Ni(O)固溶体粉末的，将粒度为63-75μm的球形Ni粉置于不锈钢球磨罐中，球料比为10:1，不锈钢球大(12mm)、中(10mm)、小(6mm)球的数量比例约为1:10:3，转速150r/min，处理时间为9h。
316SS不锈钢表面在沉积富铝层之前经喷砂处理，以去除表面污染物，提高涂层结合强度。采用表2所示冷喷涂工艺参数，内层采用球磨处理后的Ni(O)粉末喷涂，外层采用原始Ni粉喷涂，其中，内层厚度约为30-50μm，外层厚度约为150-200μm。
将沉积了Ni层的316SS样品封装于充氩气保护的石英管中，在马弗炉中于1000℃保温1小时，得到的氧化物扩散障层截面形貌如图7(a)及图7(b)所示，热处理后316SS与Ni界面处生成连续的平均厚度约为1-3μm的氧化物，利用能谱EDS对样品进行扫描，得到的氧化物涂层的主要成分见表5。
表5

Claims (8)

1.一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层，其特征在于，从下到上依次由含铝或表面层含铝的基体、第一Al2O3扩散障层、Ni(O)层及耐蚀合金层组成；
所述Ni(O)层与耐蚀合金层之间设有第二Al2O3扩散障层；
当采用的基体合金Al含量低于3wt.％时，则在基体表面预制富Al层。
2.一种权利要求1所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备或采用Ni(O)固溶体粉末，在含铝基体表面以Ni(O)固溶体粉末为原料采用冷喷涂技术沉积Ni(O)层，然后在Ni(O)层表面沉积耐蚀合金层，再进行热处理，使含铝基体中的Al与Ni(O)层中的氧发生反应，并在富Al层与Ni(O)层界面原位生长第一Al2O3扩散障层，同时当耐蚀合金层为含Al合金时，耐蚀合金层中的Al与Ni(O)层的氧发生反应，并在Ni(O)层与耐蚀合金层界面形成第二Al2O3扩散障层。
3.根据权利要求2所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述预制富铝层通过冷喷涂或热扩散渗铝方法获得，预制富铝层的厚度为10-100微米，预制富铝层中的Al含量为5-100wt.％。
4.根据权利要求2所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，通过对金属Ni粉进行机械合金化制备Ni(O)固溶体粉末，采用的金属Ni粉的粒径为10-100微米。
5.根据权利要求2所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，Ni(O)层的厚度为10-100微米。
6.根据权利要求2所述的含氧化铝扩散障层的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，耐蚀合金层的厚度为50-800微米，耐蚀合金层包括Al、Cr、Fe、Ni、Co、Ta、Y中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，热处理过程中的温度为700-1000℃，并且热处理过程在真空或者惰性气体的保护下进行。
8.根据权利要求2所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在基体表面沉积涂层之前还包括：将基体依次经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后吹干。
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