CN106319454A

CN106319454A - 梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法

Info

Publication number: CN106319454A
Application number: CN201510323481.4A
Authority: CN
Inventors: 沈明礼; 赵盼盼; 朱圣龙; 王世臣; 王福会
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2017-01-11

Abstract

本发明涉及梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法，属于涂层技术领域，可用于制备抗高温氧化和热腐蚀涂层及热障涂层的粘结层等。MCrAlX：M包括但不限于Fe、Co、Ni、Ti、Pt、Zr、W、Nb、B或其组合，X为稀土元素包括但不限于Y、La、Hf、Ce、Gd、Dy或其组合。利用二次溅射现象，通过在镀膜过程中实时调节偏压，可由单一MCrAlX靶，不借助于其他工艺，一步获得铝、铬成分由涂层表面到内部呈梯度变化的梯度MCrAlX涂层。本发明利用了电弧离子镀高离化率及高偏压下涂层反溅射的特点，使得梯度MCrAlX涂层可由单一靶材获得，并且所制备涂层组织致密，工艺稳定性和制备效率高，远优于其他多个工艺组合制备梯度涂层的方法，成本较低，适于工业化应用。

Description

梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法

技术领域

本发明涉及涂层技术，特别提供了梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法。

背景技术

梯度涂层，亦即化学成分由涂层表面到内部呈梯度变化的一类涂层，具有均质涂层所不具备的优异的抵御力学和腐蚀破坏的能力。作为典型的高温防护涂层，MCrAlX(M为Ni、Co等基体金属元素，X为稀土和其他亲氧性元素)的梯度设计又被称为智能涂层[参见文献：J.R.Nicholls,N.J.Simms,W.Y.Chan,H.E.Evans,Smart overlaycoatings-concept and practice,Surface and Coatings Technology,2002,149,236-244]，既可在热腐蚀环境下形成富铬氧化膜以抗高温腐蚀，又可在氧化性气氛中形成氧化铝膜以减缓高温氧化的进程，亦即具有适应环境的能力。显然，涂层的梯度设计是获得高性能涂层的有效途径。

然而，现有制备梯度涂层的技术均需要多个工艺步骤，如热喷涂NiCrAlY底层+热扩散渗铝处理[参见文献：J.R.Nicholls,N.J.Simms,W.Y.Chan,H.E.Evans,Smart overlay coatings-concept and practice,Surface and Coatings Technology,2002,149,236-244]，电弧离子镀MCrAlY涂层+气相渗铝处理[参见文献：孙超等，一种MCrAlY加复合梯度涂层及制备工艺，中国专利ZL200710011431，Xu Liu,L.Huang,Z.B.Bao,X.F.Sun,H.R.Guan,Z.Q.Hu,Preparation and cyclicoxidation of gradient NiCrAlYRe coatings on Ni-based superalloys,Surface and Coatings Technology,2008,202,4709-4713]，以及电弧离子镀NiCrAlY+电弧离子镀AlNiY+高温扩散退火处理[参见文献：于大千，卢旭阳，马军，姜肃猛，刘山川，宫骏，孙超，梯度NiCrAlY涂层的1000和1100℃氧化行为研究，金属学报，2012，6，759-768]等。可见现有制备技术工艺繁琐，在制造成本、生产效率、工艺可控性等方面难以满足工业应用要求。梯度MCrAlX涂层的高效制备是当前所急需解决的难题。

因此，开发由一步工艺制备梯度MCrAlX涂层的技术，实现该涂层的高效制备，对提升工艺可靠性，并显著降低制造成本具有重要意义，并可满足相关产业对高温防护涂层升级换代的迫切需求。本发明利用电弧离子镀沉积涂层过程中，基片偏压引起涂层成分偏析的规律，特别是在高真空电弧离子镀工艺过程中的显著偏析效应，在沉积MCrAlX涂层期间，通过连续调节偏压幅值，可由单一靶材一步工艺获得铝、铬含量呈梯度分布的梯度MCrAlX涂层。工艺简单，可控性高，较之于其他梯度涂层制备工艺，具有显著的成本优势，适合工业化应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前梯度MCrAlX涂层制备工艺繁琐、效率低下、可控性差的问题，而提供的梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法。

梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法：由单一MCrAlX合金靶材，在电弧离子镀膜过程中，通过实时增加或降低基片偏压，不借助于其他工艺一步获得铝、铬含量由涂层表面到内部呈梯度分布的梯度MCrAlX涂层。

所述MCrAlX合金靶材，M包括Fe、Co、Ni、Ti、Pt、Ag、Si、Zr、W、Nb、B或其组合，X为稀土元素包括Y、La、Hf、Ce、Gd、Dy或其组合。其中Cr含量的质量比为20％-60％，Al含量的质量比为5％-30％；此外，靶材中还可含有钨、钼、钽、铌高熔点组元。

电弧离子镀电弧电流为50-400A；电流为直流或脉冲直流；当采用脉冲直流时，脉冲电流频率优选为1-1000Hz，占空比为10％-90％。

基体施加直流或脉冲负偏压；偏压幅值为10-800V；脉冲负偏压频率为100Hz-50kHz，占空比10％-80％；偏压幅值随镀膜时间以线性或非线性方式增加或降低。

电弧离子镀可在惰性气体、无气或低压氧气气氛中沉积涂层，优选为无气气氛，亦即高真空10^-3Pa。

本发明优点：

本发明所述梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法，可由单一MCrAlX靶材，不借助于其他工艺一步获得铝、铬含量由涂层表面到内部呈梯度分布的梯度MCrAlX涂层。并且所制备涂层组织致密，工艺稳定性和制备效率高，远优于其他多个工艺组合制备梯度涂层的方法，成本较低，适于工业规模应用。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为按本发明方法制备的表面富铬内层低铬高铝的双层梯度NiCrAlY涂层的扫描电镜截面照片及能谱成分分析，靶材：NiCrAlY；

图2为按本发明方法制备的表面低铬高铝内层富铬的双层梯度NiCrAlY涂层的扫描电镜截面照片及能谱成分分析，靶材：NiCrAlY；

图3为按本发明方法制备的表面到内部铬含量逐渐降低、铝含量逐渐升高的梯度NiCrAlY涂层；

图4为按本发明方法制备的表面到内部铬含量逐渐升高、铝含量逐渐降低的梯度NiCrAlY涂层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例对表面富铬内层低铬高铝的双层梯度NiCrAlY涂层的制备方法进行说明。首先将NiCrAlY，Ni-27Cr-11Al-0.5Y，质量百分比wt％，靶安装于阴极水冷靶套，将基体试片挂于靶前，关闭真空室门，进行抽气；镀膜室真空度达到5×10^-3Pa或更高时，引燃阴极电弧；首先对基体施加脉冲高负偏压进行镀膜，幅值为400-800V，占空比10％-80％。当偏压幅值在400-600V时，占空比应较大为30％-80％，当当偏压幅值在600-800V时，占空比应较小为10％-30％。偏压幅值的选择依据是所要求沉积涂层中铬的富集程度，偏压越高，涂层中铬含量越高，同时铝含量越低，涂层沉积速率也降低。本例底层选择脉冲偏压-50V，表层脉冲偏压-450V。电弧电流为50-400A，电流大小可影响涂层沉积速率，沉积速率与电流大小大致呈线性关系，本例采用200A直流电流。对基体施加的脉冲负偏压频率为40kHz，占空比40％。镀膜时间取决于所要求涂层的厚度大小，本例每层镀膜2小时后关闭弧源。由此得到表面富铬内层低铬高铝的双层梯度NiCrAlY涂层，涂层截面的扫描电镜照片及能谱成分分析如图1所示。可清晰的分辨出涂层组织由两层构成，而且两层之间界面结合较紧密，不存在孔洞等界面缺陷。由于靶材铝含量相对较低，涂层中铝的梯度变化相对较弱。

实施例2

本实施例对表面低铬高铝内层富铬的双层梯度NiCrAlY涂层的制备方法进行说明。首先将NiCrAlY，Ni-27Cr-11Al-0.5Y，质量百分比wt％，靶安装于阴极水冷靶套，将基体试片挂于靶前，关闭真空室门，进行抽气；镀膜室真空度达到5×10^-3Pa或更高时，引燃阴极电弧；本例底层选择脉冲偏压-450V，表层脉冲偏压-50V。电弧电流为200A，脉冲负偏压频率为40kHz，占空比40％。镀膜时间取决于所要求涂层的厚度大小，本例每层镀膜2小时后关闭弧源。由此得到表面低铬高铝内层富铬的双层梯度NiCrAlY涂层，涂层截面的扫描电镜照片及能谱成分分析如图2所示。同样可清晰的分辨出涂层组织由两层构成，层间界面结合紧密，不存在孔洞等界面缺陷。

实施例3

本实施例对表面到内部铬含量逐渐降低、铝含量逐渐升高的梯度NiCrAlY涂层的制备方法进行说明。同样在5×10^-3Pa或更高时，引燃阴极电弧；对基体施加幅值随时间呈连续或阶梯式升高的脉冲负偏压进行镀膜，本例采用间隔0.5小时阶梯式由-50V到-450V升高偏压幅值的方式进行沉积。电流与前例相同。对基体施加的脉冲负偏压频率为20kHz，占空比40％。由此得到表面到内部铬含量逐渐降低、铝含量逐渐升高的梯度NiCrAlY涂层，涂层截面的扫描电镜照片及能谱成分分析如图3所示。由于靶材铝含量相对较低，涂层中铝的梯度变化相对较弱。在靶材铝含量较高时可获得铝含量梯度变化较明显的结果。

实施例4

本实施例对表面到内部铬含量逐渐升高、铝含量逐渐降低的梯度NiCrAlY涂层的制备方法进行说明。同样在5×10^-3Pa或更高时，引燃阴极电弧；对基体施加幅值随时间呈连续或阶梯式降低的脉冲负偏压进行镀膜，本例仍采用间隔0.5小时阶梯式由-450V到-50V降低偏压幅值的方式进行沉积。电流与前例相同。对基体施加的脉冲负偏压频率为20kHz，占空比40％。由此得到表面到内部铬含量逐渐升高、铝含量逐渐降低的梯度NiCrAlY涂层，涂层截面的扫描电镜照片及能谱成分分析如图4所示。同样由于靶材铝含量相对较低，涂层中铝的梯度变化相对较弱。

实施例5

其他成分的MCrAlX靶材可按照与上述实施例类似的制备工艺制备相应的梯度MCrAlX涂层，如下表所示。

表1.靶材及涂层梯度变化主要元素

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法，其特征在于：由单一MCrAlX合金靶材，在电弧离子镀膜过程中，通过实时增加或降低基片偏压，不借助于其他工艺，一步获得铝、铬含量由涂层表面到内部呈梯度分布的梯度MCrAlX涂层；

所述MCrAlX合金靶材，M包括Fe、Co、Ni、Ti、Pt、Ag、Si、Zr、W、Nb、B或其组合，X为稀土元素包括Y、La、Hf、Ce、Gd、Dy或其组合；

其中：Cr含量的质量比为20％-60％，Al含量的质量比为5％-30％；此外，靶材中还能含有钨、钼、钽、铌高熔点组元。

2.按照权利要求1所述梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法，其特征在于：电弧离子镀电弧电流为50-400A；电流为直流或脉冲直流；当采用脉冲直流时，脉冲电流频率优选为1-1000Hz，占空比为10％-90％。

3.按照权利要求1所述梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法，其特征在于：基体施加直流或脉冲负偏压；偏压幅值为10-800V；脉冲负偏压频率为100Hz-50kHz，占空比10％-80％；偏压幅值随镀膜时间以线性或非线性方式增加或降低。

4.按照权利要求1所述梯度MCrAlX涂层单靶电弧离子镀一步制备方法，其特征在于：所述电弧离子镀在惰性气体、无气或低压氧气气氛中沉积涂层。