CN106605002B

CN106605002B - 电镀涂层

Info

Publication number: CN106605002B
Application number: CN201580044852.3A
Authority: CN
Inventors: J·福斯特; 汤志宏; K·加林; B·J·伯顿; T·F·刘易斯
Original assignee: Prax St Technology Co Ltd
Current assignee: Prax St Technology Co Ltd
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2019-08-06
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: ES2728116T3; CN106605002A; PL3186414T3; JP2017533341A; WO2016033301A1; US20160237581A1; MX2017002315A; EP3186414A1; EP3186414B1; JP7010694B2; US9957629B2

Abstract

本发明提供了一种改性的电镀镍基金属合金涂层以及形成所述涂层的方法。所述电镀涂层具有独特的微观结构和组成，与常规金属材料相比改善了性能。所述涂层在升高的工作温度下具有明显更高的强度。

Description

电镀涂层

技术领域

本发明涉及具有独特的微观结构与组成的新型电镀涂层。这类涂层对于燃气涡轮部件是有利的。具体而言，这类涂层提供增大的强度，并且可充当适用于各种部件(包括具有研磨尖端的燃气涡轮叶片)的涂层。

发明背景

目前，燃气涡轮中使用研磨密封系统来减轻叶片尖端泄漏气体的程度，这可以提高涡轮的效率。在燃气涡轮中，高压涡轮段的初期级通常由以高速旋转的镍基超合金叶片构成。这些叶片被设计成使得其各自的尖端处于紧邻静止密封环的位置。因此，所述尖端与密封环之间存在狭窄间隙。这种狭窄间隙的目的是使气体泄漏最小化并允许空气压力对涡轮叶片做功，从而引起叶片旋转。狭窄的间隙导致发动机效率更高、功率输出更大。然而，狭窄的间隙也增加了“尖端摩擦”的风险，其中“尖端摩擦”被定义为尖端与密封件接触，由此导致密封件和部件出现过度磨损。

叶片的尖端可施涂磨料涂层，以改善叶片尖端与静止环之间的密封。所述磨料涂层包含嵌入金属基体中的磨料颗粒，如图1所描绘。立方氮化硼(CBN)是用于此目的的典型研磨材料。金属基体固定或锚定磨料颗粒，并且在使用期间保持磨料颗粒与涡轮尖端的附接。为了有效地工作，金属基体必须具有高温强度以抵抗使用期间出现任何变形；必须具有耐环境性以防止材料由于高温氧化和腐蚀而损耗；还必须与叶片的尖端具有化学相容性，以确保不形成脆性相(其被称为拓扑密排(“TCP”)相)。

常规的金属基体材料通常利用MCrAlY，其中，M被定义为镍、钴，或者任意组合的镍和钴。MCrAlY涂层因其出色的耐环境性而为人熟知。MCrAlY涂层主要由γ-镍相和β-镍铝化物相组成。尽管MCrAlY涂层具有优异的耐环境性，但其表现出的强度不足以抵抗在升高的工作温度下(特别是在800℃和更高的温度下)出现变形。常规MCrAlY涂层的另一个问题是这些涂层与先进的超合金基底存在相互扩散，这导致界面处的相不稳定性，并降低了超合金基底的机械性能。因此，MCrAlY涂层在800℃和更高的工作温度下往往只有有限的寿命。在此和整篇说明书中所用的术语“工作温度”，是指特定的带涂层部件在商业使用时所暴露于的操作温度的范围。所述工作温度用作涂层热稳定性的指标。

其他金属基体材料在更高的工作温度下也显示出有限的使用寿命。考虑到这些缺点，需要提高用于磨料涂层的金属基体的高温强度，同时基本上保持耐高温氧化性。这需要提高要求在其操作温度下具有更高强度的独立涂层和覆盖涂层的性能。

发明内容

本发明可包括以各种形式组合的以下任一方面，还可包括下文在书面说明中描述的本发明的任何其他方面。

在第一方面，公开了一种电镀涂层，其包含：镍基金属电镀组合物，该组合物包含约5重量％至15重量％的钴、约5重量％至10重量％的铬、约5重量％至10重量％的铝、0至约6重量％的钼、0至约6重量％的钨、0至约6重量％的钽、0至约6重量％的铼、0至约2重量％的钛、0至约1重量％的锆、0至约1重量％的铪、0至约1重量％的钇、0至约1重量％的硅、0至约0.2重量％的碳、0至约0.03重量％的硼，以及余量的镍；所述组合物的特征在于：具有至少部分地由γ镍固溶体相(γ-Ni相)和分布在所述γ-Ni相中的γ′镍铝化物相(γ′-Ni₃Al相)限定的多相微观结构；所述γ′-Ni₃Al相包括具有初生γ′-Ni₃Al相和次生γ′-Ni₃Al相的双峰微观结构；所述次生γ′-Ni₃Al相的粒径小于初生γ′-Ni₃Al相的粒径；所述γ′-Ni₃Al相任选地包括在所述γ-Ni相内的均匀分布；其中所述γ′-Ni₃Al相的含量为至少约40体积％但不大于约90体积％，由此在工作温度下产生比具有MCrAlY组成的涂层大的极限拉伸强度。

在第二方面，公开了一种形成电镀涂层的方法，其包括：提供超合金基底；提供包含具有前体合金粉末的镀镍溶液的电镀溶液，其中所述前体合金粉末包含CoCrAlX或NiCoCrAlX，其中X为Re、Ta、Mo、W、Hf、Y、Si、Zr、C、B中的一者或多者，或这些元素的任意组合；将所述镍和所述前体合金粉末电镀到所述基底上，形成生坯涂层，该涂层具有包含下列物质的组成：约5重量％至15重量％的钴、约5重量％至10重量％的铬、约5重量％至10重量％的铝、0至约6重量％的钼、0至约6重量％的钨、0至约6重量％的钽、0至约6重量％的铼、0至约2重量％的钛、0至约1重量％的锆、0至约1重量％的铪、0至约1重量％的钇、0至约1重量％的硅、0至约0.2重量％的碳、0至约0.03重量％的硼，以及余量的镍；在约2000°F至2400°F范围内的温度下对所述生坯涂层执行持续约2至约6小时的第一次热处理；然后允许CoCrAlX或NiCoCrAlX粉末组合物与镍之间发生相互扩散，产生中间涂层；在约1400°F至约1950°F范围内的温度下对所述组合物执行持续约6至约48小时的第二次热处理；接着沉淀γ′镍铝化物相(γ′-Ni₃Al相)，产生改性的电镀涂层。

在第三方面，公开了一种电镀涂层，其包含：镍基金属电镀组合物，该组合物包含约5重量％至15重量％的钴、约5重量％至10重量％的铬、约5重量％至10重量％的铝、0至约6重量％的钼、0至约6重量％的钨、0至约6重量％的钽、0至约6重量％的铼、0至约2重量％的钛、0至约1重量％的锆、0至约1重量％的铪、0至约1重量％的钇、0至约1重量％的硅、0至约0.2重量％的碳、0至约0.03重量％的硼，以及余量的镍；所述组合物的特征在于：具有至少部分地由γ镍固溶体相(γ-Ni相)和分布在所述γ-Ni相中的γ′镍铝化物相(γ′-Ni₃Al相)限定的多相微观结构；其中所述γ′-Ni₃Al相的含量为至少约40体积％但不大于约90体积％，由此在工作温度下产生比具有MCrAlY组成的涂层大的极限拉伸强度；所述电镀涂层还可包含Pt、Ir和Pd中的至少一者或这些元素的任意组合。

根据以下说明和所附权利要求书，本公开其他方面、特征和实施例将会更清楚。

附图说明

根据本发明的优选实施例的以下详细描述，并结合附图将更好地理解本发明的目标和优点，在附图中，类似的数字在整个说明书中指代相同的特征部，其中：

图1为涡轮叶片尖端的示意性描述，该尖端涂覆有在金属基体中包含磨料颗粒的磨料涂层。

图2示出了在800℃至1000℃的温度范围内，本发明的电镀涂层和常规MCrAlY涂层的测得的极限拉伸应力的图形比较；

图3比较了在1133℃下，本发明的电镀涂层与常规MCrAlY涂层和常规镍基超合金的测得的耐循环氧化性。

图4为本发明的电镀涂层的横截面微观结构的扫描电镜(SEM)图像，示出了γ相中的双峰γ′相分布，其中样品用Marble试剂蚀刻；

图5为本发明的电镀涂层的横截面微观结构的扫描电镜(SEM)图像，该微观结构在γ相中具有均匀的γ′相细沉淀物，其中样品用Marble试剂蚀刻；

图6是包含γ相和β相的常规MCrAlY涂层的横截面微观结构的扫描电镜(SEM)图像。

具体实施方式

本文以各种实施例并参考本发明的各个特征和方面来陈述本公开。本公开设想了在本公开的范围内的此类特征、方面和实施例的各种排列和组合。本公开因此可被指定成包括、包含或基本上包括这些具体特征、方面和实施例的任何此类组合和排列，或所选择的它们中的一个或多个。

本发明涉及一种改性的电镀镍基金属合金涂层，该涂层用作叶片尖端上的磨料涂层的金属基体。本发明的电镀涂层具有优于常规金属材料的性能。这种涂层具有独特的微观结构和组成，这两者相结合，在升高的工作温度下产生比常规涂层高的强度。所述电镀涂层具有至少部分地由γ镍固溶体相(γ-Ni相)和γ′镍铝化物中间金属相(γ′-Ni₃Al相)限定的多相微观结构。基于涂层的总体积，γ′-Ni₃Al相的含量为至少约40体积％但不大于约90体积％。γ′-Ni₃Al相是位于γ-Ni的固溶体基体内的不同相。γ′-Ni₃Al相在沉淀时形成，用于强化原本较弱的γ-Ni相。γ′-Ni₃Al相保持在约40％至90％的范围内，以获得所需的γ′-Ni₃Al沉淀物强化效果。

本发明的改性金属合金涂层具有优于常规材料的性能。例如，如将在下面的工作实例中更详细地阐释的，本发明生产的涂层在800℃和更高的温度下具有比常规的金属基体材料更高的强度。将本发明的电镀涂层与常规MCrAlY涂层进行比较，结果表明，本发明的涂层在800℃至1000℃范围内的升高的工作温度下极限拉伸强度增大，约为常规MCrAlY涂层的2至5倍。图形比较在图2中示出。

如申请人在实例4中所证明的，本发明的电镀涂层具有与常规MCrAlY涂层基本上相同的耐氧化性。因此，与常规MCrAlY涂层不同，本发明的电镀涂层实现了相比常规MCrAlY涂层更高的高温强度(实例1至3)，同时基本上保持了耐高温氧化性。

如将说明的，本发明的改性电镀涂层的性能改进至少部分地归因于由涂料组合物、涂布工艺和专门的后期热处理的组合所产生的独特的涂层微观结构。所述涂层的强化效果至少部分地源于γ′-Ni₃Al和γ-Ni这两者的多相结构的协同相互作用。如图4的横截面微观结构的扫描电镜图像所示，γ′-Ni₃Al分布在γ镍基体(γ-Ni基体)内。应当理解，“γ-Ni”与“γ”可互换使用。至少需要40体积％的γ′-Ni₃Al，才能在涂层中产生并保持必要的应力大小，从而表现出增强的γ′沉淀物强化效果。然而，γ′-Ni₃Al的体积分数不应超过90％。不受任何特定理论的约束，据信，所述体积分数超过90％会增大涂层脆性，因而可能在使用期间引起涂层开裂。γ′-Ni₃Al的含量优选地在55体积％至85体积％的范围内，更优选地在65体积％至75体积％的范围内。

仍参见图4，γ′-Ni₃Al可以表征为具有包含初生γ′-Ni₃Al和次生γ′-Ni₃Al的双峰微观结构。初生γ′-Ni₃Al由尺寸为约2至8微米(μm)的离散粗颗粒组成。次生γ′-Ni₃Al由粒径在约0.2至0.5μm范围内的离散细颗粒组成。图4的扫描电镜图像中的初生γ′-Ni₃Al(即，“初生γ′”)和次生γ′-Ni₃Al(即，“次生γ′”)这两者的颜色看起来比呈现浅灰色的γ镍相要深。初生γ′-Ni₃Al相和次生γ′-Ni₃Al相分布在γ镍基体中，γ镍基体被显示为在整个涂层内连续不断地延伸。所述基体为初生γ′-Ni₃Al相和次生γ′-Ni₃Al相的沉淀物提供了类似载体的结构。初生γ′-Ni₃Al相和次生γ′-Ni₃Al相分布在所述基体内，以便相互作用，从而在800℃和更高的温度下赋予高温强度。

在一个替代实施例中，γ′-Ni₃Al可以表征为具有在γ基体中包含γ′-Ni₃Al细沉淀物的均匀微观结构，如图5所示。γ′-Ni₃Al细沉淀物可具有在约0.2至0.5μm范围内的粒径。

与诸如MCrAlY一类的常规材料不同，本发明的电镀涂层的特征在于不具有任何可能降低磨料涂层金属基体的强度的β-镍铝化物相(β)。MCrAlY的特征在于具有主要被限定为包含γ相和β相而没有任何γ′体积分数的微观结构。γ相和β相的强度在升高的温度下在本质上都较弱，据信，这大幅削弱了所得MCrAlY涂层的拉伸强度。常规MCrAlY涂层的代表性SEM微观结构在图6中示出。可以看出，MCrAlY具有与图4和图5截然不同的微观结构。

本发明还可包括分布在γ镍基体中的任选的钼和钽(Mo-Ta)富集相，如图4所示。(Mo-Ta)富集相在γ镍基基体某些区域中整体表现为簇状颗粒。任选的(Mo-Ta)富集相的含量在0至15体积％范围内、优选地在0至10体积％范围内变化，更优选地小于5体积％。存在(Mo-Ta)富集相可能会潜在地增强γ镍基体的高温强度。然而，高体积分数的(Mo-Ta)富集相可能会潜在地降低耐高温氧化性。

除独特的涂层微观结构之外，本发明的改性电镀涂层的改进性能至少部分地归因于电镀组合物。所述涂层包含镍基电镀组合物。在本发明的一个实施例中，所述镍基金属电镀组合物包含约5重量％至15重量％的钴、约5重量％至10重量％的铬、约5重量％至10重量％的铝、0至约6重量％的钼、0至约6重量％的钨、0至约6重量％的钽、0至约6重量％的铼、0至约2重量％的钛、0至约1重量％的锆、0至约1重量％的铪、0至约1重量％的钇、0至约1重量％的硅、0至约0.2重量％的碳、0至约0.03重量％的硼，以及余量的镍。本发明的涂料组合物显著不同于来自现有技术的设想具有明显更高的Al和Cr含量的常规MCrAlY涂层。例如，美国专利No.4585481描述了一种用于保护金属基底免于高温氧化和腐蚀的涂料组合物，其含有最多至40％的Cr和最多至35％的Al。

此外，本发明的电镀涂层中的Al浓度和Cr浓度类似于镍基超合金基底的Al浓度和Cr浓度，从而在高温暴露期间最大限度减小涂层与基底之间的相互扩散，并且抑制在涂层与基底之间的扩散区中形成有害的拓扑密排相。

在本发明中，所述涂层中的铝含量优选地为约5至10重量％。铝能够有助于加强本发明的所得涂层的强化效果。铝通过如下方式而有助于高温强度：使γ′-Ni₃Al相能够形成，并通过形成保护性氧化铝结瘤而赋予期望的耐氧化性。当铝含量降至约5重量％以下时，γ′-Ni₃Al相的分数可能不足，以致无法实现必要的强度。另外，铝含量的水平升至约10重量％以上可能诱导或促进弱β-NiAl相形成。

其他组分也赋予期望的特性。当钽和钛以规定量存在时，可进一步增大γ′-Ni₃Al相的分数，还可促进γ-Ni相的晶界处形成碳化物，所述碳化物凭借抑制所谓的晶界滑动而进一步增大高温强度。钼、钨和铼有助于固溶强化γ-Ni固溶体相。铬通过促进保护性氧化铝结瘤形成而有助于提高耐环境性，即便在铝含量低至约5重量％时也是如此。然而，高于本发明的量的铬含量趋向于促进脆性σ相形成。当铪、钇和锆以规定范围内的量添加时，可提高所得涂层的耐氧化性。

本发明设想了所述电镀组合物的其他变型形式。例如，所述电镀组合物可包含约8重量％至12重量％的钴、约6重量％至9重量％的铬、约5.5重量％至7重量％的铝.总含量为约3重量％至12重量％的钛、锆、碳、硼、钼、钨、铼和钽，以及余量的镍。

在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以设想其他实施例。例如，在另一个实施例中，所述硼、碳、钼、钨和钛各自为0％。所述电镀组合物还可包含Pt、Ir和Pd中的至少一种或这些元素的任意组合。

本发明的涂层通过适当的电镀工艺制备，该电镀工艺被设计用于从其中悬浮有前体粉末的镀镍溶液浴中夹带电镀前体合金粉末。本发明可使用与美国专利No.5076897、No.5702574和No.5833829中所述相同的设备来实施，这些专利各自全文以引用方式并入本文。在本发明的一个实施例中，所述前体合金粉末可由通式CoCrAlX或CoNiCrAlX表示，在此和整篇说明书中所用的X为Re、Ta、Mo、W、Hf、Y、Si、Zr、C和B中的一种或多种。Ni以电镀溶液的形式提供。或者，可将Ni和/或Co用作电镀溶液。由电镀工艺捕获的CoCrAlX或CoNiCrAlX前体粉末的总重量百分比优选地占涂层总重量的30％至40％。CoCrAlX或CoNiCrAlX前体粉末可通过本领域普通技术人员已知的气体雾化工艺制备。包括Ta、W、Mo、Re、Ti、Hf、Y和Zr在内的难熔元素的总百分比保持在小于20％的规定水平，以使前体粉末能够发生气体雾化。

所述电镀工艺依据的是美国专利No.5076897、No.5702574和No.5833829中描述的方法，这些专利各自全文以引用方式并入本文。所述电镀工艺可按下述步骤进行。在电沉积基体形成和积累的过程中，悬浮在电镀溶液中的颗粒被夹带于涂层内。然后可对这种所谓的“绿色”涂层进行热处理，形成表现出高温强度特性的所需涂层结构。

根据本发明的原理，所述电镀工艺允许形成具有嵌入Ni基体内的CoCrAlX或CoNiCrAlX前体粉末的“绿色”涂层。与常规的热喷涂工艺和物理气相沉积(PVD)工艺相比，本发明所利用的夹带电镀工艺提供了几个独特的技术优势，由此可产生本发明的涂层。例如，夹带电镀特别适合具有复杂几何形状的零部件，原因是热喷涂过程中不存在与“瞄准线”相关的复杂并发情况。此外，夹带电镀被认为是冷加工工艺，其避免了在等离子体喷涂方法期间可能出现的磨料颗粒与金属基体之间的化学反应。更进一步，由于原材料在沉积期间未显著改变，所以夹带电镀提高了所得涂料组合物组成的准确度，并改进了对所得涂料组合物的控制。

在发生电镀之后，可执行两步热处理，以获得所需的涂层结构和特性。在约2000°F至2400°F范围内的温度下对电镀的“绿色”涂层执行持续约2至6小时的第一次热处理。该第一次热处理允许CoCrAlX或NiCoCrAlX粉末组合物与镀镍基体之间发生相互扩散，从而产生中间涂层。接下来，可在约1400°F至约1950°F范围内的温度下执行持续约6至约48小时的第二次热处理。该第二次热处理诱导γ′镍铝化物相(γ′-Ni₃Al相)沉淀下来，从而产生改性的电镀涂层。

由于几种组分的扩散速率较慢，所以得到的微观结构未达到平衡，因而产生了改性结构。所述改性结构的特征可能在于γ′-Ni₃Al沉淀物、碳化物或旨在改善性能(诸如高温强度)的其他相的预定尺寸和/或分布。改性的程度将取决于几个因素，诸如温度、时间和冷却速率。可以看出，适当地选择涂料组合物、涂布工艺和后处理，加以组合就可产生本发明所述类别的电镀涂层。

在优选的实施例中，本发明的电镀涂层可用作叶片尖端上的磨料涂层的金属基体。生产磨料涂层的工艺包括下列步骤：从其中悬浮有CoCrAlX或CoNiCrAlX前体粉末的电镀溶液浴中电镀，从而在叶片尖端上产生本发明的电镀涂层作为第一层；从其中悬浮有磨料颗粒的电镀溶液浴中电镀，从而将磨料颗粒锚定到第一层；然后从其中悬浮有CoCrAlX或CoNiCrAlX前体粉末的电镀溶液浴中电镀，从而在磨料颗粒的周围填充本发明的电镀涂层。合适的磨料颗粒包括立方氮化硼、氧化铝、碳化硅，或其他类型的氮化物、氧化物和碳化物。

应当理解，设想了多种变型。例如，用于围绕磨料颗粒填充的电镀涂层可具有与第一层磨料涂层的电镀涂层不同的组成。

申请人已发现，施加前体粉末的其他方法不适用于产生所述涂层。例如，等离子体喷涂工艺可能不适用于产生本发明的涂层，原因是等离子体的温度过高，致使金属基体与磨料颗粒反应，并显著劣化了磨料涂层的特性。另外，等离子体喷涂工艺和物理气相沉积工艺为“瞄准线”工艺，并不适用于涂布具有复杂几何形状的零部件(例如涡轮叶片尖端)。

除了本文讨论的磨料涂层之外，应当理解，本发明设想了各种其他的最终用途应用。例如，本发明的电镀涂层可以在不添加磨料颗粒的情况下制备，并可用作覆盖涂层以保护金属基底免于高温氧化和腐蚀。本发明的电镀涂层也可用作热障涂层系统的粘结涂层。另外，本发明的电镀涂层可用于产生具有所需物体的近净形状的电铸材料。本发明的涂层可用于生产微机电系统(MEMS)和LIGA应用的电铸微样品。另外，本发明可用于各种其他制造技术中，借助这些制造技术(举例来说，诸如通过叠加式制造工艺或近净形状电铸制造沉积工艺)可生产具有近净形状的独立式无缝零部件。

下面的工作实例证明，所述电镀涂层在800℃至1000℃的升高的工作温度下表现出明显更高的极限强度。应当理解，工作实例不旨在以任何方式限制本发明的范围，而是旨在举例说明本发明的原理。

比较例1(测试800℃下常规MCrAlY的UTS)

制备常规的独立式MCrAlY涂层，目的在于将其固有的高温强度与本发明涂层的该强度进行比较。

制备常规MCrAlY涂层的独立式涂层的方法涉及以下步骤。首先，通过气体雾化制备前体CrAlY粉末。所述前体粉末的组成以重量百分比计为Cr-35％Al-1％Y。

接着，从硫酸镍和硫酸钴电镀溶液浴中将前体CrAlY粉末夹带电镀到铝片上。根据美国专利No.5076897、No.5702574和No.5833829中描述的方法进行这种夹带电镀工艺，这些专利各自全文以引用方式并入本文。通过电镀工艺夹带的CrAlY前体粉末的重量百分比占总涂层重量的32％。电镀工艺导致形成“生坯涂层”，该“生坯涂层”具有嵌在Ni/Co基体内的CrAlY颗粒。经测定，所得生坯涂层的厚度为约0.5至1毫米。

随后将铝片放置在30％氢氧化钠溶液中，以选择性地滤去铝片，同时保持生坯涂层结构完整。除去铝片后，获得“生坯”独立式涂层片。

然后，对所述涂层片材进行热处理，以允许基体的组分和颗粒之间发生相互扩散。热处理条件在真空下于1120℃温度中进行6小时。这就制成了厚度为0.5至1毫米的独立式常规电镀NiCoCrAlY片。这种涂层的横截面微观结构在图6中示出。该涂层包括两种初生相：γ-Ni固溶体相在图6中以浅灰色显示，β-NiAl相在图6中以深灰色显示。所得独立式涂层的组成以重量百分比计为Ni-24％Co-19.5％Cr-10.5％Al-0.3％Y。

按照ASTM标准E8将电镀片机械加工并抛光成平坦拉伸试样。测试样品的标距长度为32毫米，宽度为6毫米。拉伸试验的应变速率为每分钟0.002直至约1％，此后为每分钟0.1直至断裂。拉伸试验在800℃(1470°F)下进行。经测定，常规电镀NiCoCrAlY涂层的极限拉伸强度为240MPa。

比较例2(测试900℃下常规MCrAlY的UTS)

制备常规MCrAlY涂层的另一独立式涂层的方法与比较例1中所述的相同。所得独立式涂层的组成以重量百分比计为Ni-24％Co-19.5％Cr-10.5％Al-0.3％Y。

按比较例1中所述执行UTS测试程序。按照ASTM标准E8将电镀片机械加工并抛光成平坦拉伸试样。测试样品的标距长度为32毫米，宽度为6毫米。拉伸试验的应变速率为每分钟0.002直至约1％，此后为每分钟0.1直至断裂。拉伸试验在900℃(1652°F)下进行。经测定，常规电镀NiCoCrAlY涂层的极限拉伸强度为87MPa。

比较例3(测试1000℃下常规MCrAlY的UTS)

按比较例1中所述执行UTS测试程序。按照ASTM标准E8将电镀片机械加工并抛光成平坦拉伸试样。测试样品的标距长度为32毫米，宽度为6毫米。拉伸试验的应变速率为每分钟0.002直至约1％，此后为每分钟0.1直至断裂。拉伸试验在1000℃(1832°F)下进行。经测定，1000℃下常规电镀NiCoCrAlY涂层的极限拉伸强度为21MPa。

实例1(测试800℃下本发明的电镀涂层的UTS

制备含有本发明所述的涂层组合物的独立式涂层，以便将本发明中的电镀涂层的固有高温强度与比较例1、比较例2和比较例3的固有高温强度进行比较。生产本发明的独立式涂层的方法涉及以下步骤。通过气体雾化制备前体CoCrAl基合金粉末。所述前体粉末的组成以重量百分比计为28.4％Co-22.7Cr-17％Mo-17％Al-2.8％Ti-11.4％Ta-0.3％Zr-0.3％C-0.04％B。

接着，从硫酸镍电镀溶液浴中将前体CoCrAl基合金粉末夹带电镀到铝片上。根据美国专利No.5076897、No.5702574和No.5833829中描述的方法进行该夹带电镀工艺，这些专利各自全文以引用方式并入本文。通过电镀工艺夹带的CoCrAl基前体粉末的重量百分比占总涂层重量的36％。电镀工艺导致“生坯涂层”形成，该“生坯涂层”具有嵌在Ni基体内的CoCrAl基颗粒。所得生坯涂层的厚度为约0.5至1毫米。随后将铝片放置在30％氢氧化钠溶液中，以选择性地滤去铝片，同时保持生坯涂层结构完整。除去铝片后，获得“生坯”独立式涂层片。

对涂层片材进行热处理，以使得基体的组分和颗粒之间发生相互扩散。热处理条件在真空下于1120℃温度中进行6小时。这就制成了本发明的独立式电镀金属涂层。如图4所示，所述涂层在镍基体(γ-Ni基体)内包含γ′(γ′-Ni₃Al)沉淀物。经测定，γ′-Ni₃Al沉淀物的体积分数为约65％。此外，γ′-Ni₃Al的特征在于具有包含初生γ′-Ni₃Al和次生γ′-Ni₃Al的双峰微观结构。初生γ′-Ni₃Al由尺寸为约2至8微米(μm)的离散粗颗粒组成。次生γ′-Ni₃Al由粒径在约0.2至0.5μm范围内的离散细颗粒组成。本发明中独立式涂层的组成(以重量百分比计)为

Ni：余量

Cr：8％

Co：10％

Mo：6％

Al：6％

Ti：1％

Ta：4％

Zr：0.1％

C：0.1％

B：0.015％

按照ASTM标准E8将电镀片机械加工并抛光成平坦拉伸试样。测试样品的标距长度为32毫米，宽度为6毫米。拉伸试验的应变速率为每分钟0.002直至约1％，此后为每分钟0.1直至断裂。拉伸试验在800℃(1652°F)下进行。经测定，本发明的新金属涂层的极限拉伸强度为510MPa，高于比较例1中所述800℃下常规NiCoCrAlY涂层的极限拉伸强度(240MPa)的2倍。

实例2(测试900℃下本发明的电镀涂层的UTS)

制备本发明的另一独立式涂层的方法与实例1中所述的相同。

按实例1中所述执行UTS测试程序。按照ASTM标准E8将电镀片机械加工并抛光成平坦拉伸试样。测试样品的标距长度为32毫米，宽度为6毫米。拉伸试验的应变速率为每分钟0.002直至约1％，此后为每分钟0.1直至断裂。拉伸试验在900℃(1470°F)下进行。经测定，本发明中新金属涂层的极限拉伸强度为363MPa，高于比较例2中所述900℃下常规NiCoCrAlY涂层的极限拉伸强度(87MPa)的4倍。

实例3(测试1000℃下本发明的电镀涂层的UTS)

制备本发明的另一独立式涂层的方法与实例1中所述的相同。

按实例1中所述执行UTS测试程序。按照ASTM标准E8将电镀片机械加工并抛光成平坦拉伸试样。测试样品的标距长度为32毫米，宽度为6毫米。拉伸试验的应变速率为每分钟0.002直至约1％，此后为每分钟0.1直至断裂。拉伸试验在1000℃(1470°F)下进行。经测定，本发明中新金属涂层的极限拉伸强度为106MPa，高于比较例3中所述1000℃下常规NiCoCrAlY涂层的极限拉伸强度(21MPa)的5倍。据观察，本发明的新涂层在1000℃下的极限拉伸强度(106MPa)甚至高于常规NiCoCrAlY涂层在900℃下的极限拉伸强度(87MPa)，表明新涂层可将工作温度提高到比常规NiCoCrAlY涂层高100℃或更高。

实例4(本发明的循环氧化性能)

进行炉循环试验，以比较1133℃下本发明的电镀涂层的耐循环氧化性与常规MCrAlY涂层和常规镍基超合金的耐循环氧化性，其中常规镍基超合金可以从Cannon-Muskegon公司(Cannon-Muskegon Corp.)(密歇根州马斯基根(Muskegon，MI))商购获得。

制备本发明的独立式电镀涂层的方法与实例1中所述的相同。制备常规独立式MCrAlY涂层的方法与比较例1中所述的相同。是可从Cannon-Muskegon公司(Cannon-Muskegon Corp.)(密歇根州马斯基根(Muskegon，MI))商购获得的镍基超合金。

炉循环试验在空气中于1133℃下进行。每个循环包括：在1133℃下停留50分钟，然后冷却至室温10分钟。通过比重变化(其为循环次数的函数)的曲线来表征耐循环氧化性，如图3所示。

如图3所示，负增重指示耐循环氧化性差。结果表明，本发明的电镀涂层表现出与常规MCrAlY涂层大致等同的耐氧化性。相比于常规镍基超合金的耐氧化性，本发明的电镀涂层和常规MCrAlY涂层表现出明显更高的耐氧化性。

上述试验表明，相对于常规MCrAlY涂层，本发明的电镀涂层具有明显更高的拉伸强度而没有显着降低耐氧化性。

虽然已示出和描述了被认为是本发明的某些实施例，但当然应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可轻易地对其形式或细节作出修改和改变。因此，本发明并不局限于本文所示和所述的具体形式和细节，也不局限于本文所公开的以及后文所要求的本发明整体之内的任何内容。

Claims

1.一种电镀涂层，包括：

镍基金属电镀组合物，所述镍基金属电镀组合物包含5重量％至15重量％的钴、5重量％至10重量％的铬、5重量％至10重量％的铝、0至6重量％的钼、0至6重量％的钨、0至6重量％的钽、0至6重量％的铼、0至2重量％的钛、0至1重量％的锆、0至1重量％的铪、0至1重量％的钇、0至1重量％的硅、0至0.2重量％的碳、0至0.03重量％的硼，以及余量的镍；

所述组合物的特征在于具有至少部分地由γ-Ni相和分布在所述γ-Ni相中的γ'-Ni₃Al相限定的多相微观结构，其中所述γ-Ni相指γ镍固溶体相，且所述γ'-Ni₃Al相指γ'镍铝化物相；

所述γ'-Ni₃Al相包括具有初生γ'-Ni₃Al相和次生γ'-Ni₃Al相的双峰微观结构；所述次生γ'-Ni₃Al相的粒径小于所述初生γ'-Ni₃Al相的粒径；

所述γ'-Ni₃Al相任选地在所述γ-Ni相内均匀分布；

其中所述γ'-Ni₃Al相的含量为至少40体积％但不大于90体积％，由此产生在工作温度下与具有MCrAlY组成的涂层相比更大的极限拉伸强度。

2.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中与具有MCrAlY组成的涂层相比，所述电镀涂层所产生的对应于800℃或更高温度的极限拉伸强度为至少两倍以上。

3.根据权利要求1所述的电镀涂层，还包含嵌在所述电镀组合物内的磨料颗粒。

4.根据权利要求3所述的电镀涂层，其中所述磨料颗粒选自立方氮化硼、氧化铝、碳化硅，或其他类型的氮化物、氧化物和碳化物。

5.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述γ'-Ni₃Al相的含量在65体积％至75体积％的体积分数范围内。

6.根据权利要求1所述的电镀涂层，其特征在于，与具有MCrAlY组成的涂层相比，所述电镀涂层的高温强度增加，同时基本上保持耐高温氧化性。

7.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述γ'-Ni₃Al相在所述γ-Ni相内均匀分布。

8.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述硼、碳、钼、钨和钛各自为0％。

9.根据权利要求1所述的电镀涂层，还包含Pt、Ir和Pd中的至少一种或这些元素的任意组合。

10.根据权利要求1所述的电镀涂层，所述涂层的特征在于基底和所述涂层之间的相互扩散区中没有脆性层。

11.根据权利要求1所述的电镀涂层，还包含8重量％至12重量％的钴、6重量％至9重量％的铬、5.5重量％至7重量％的铝，其中钛、锆、碳、硼、钼、钨、铼和钽的总含量为3重量％至12重量％，以及余量的镍。

12.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述涂层作为独立覆盖涂层施涂。

13.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述涂层作为热障涂层的粘结涂层施涂。

14.一种形成电镀涂层的方法，包括：

提供超合金基底；

提供含有前体合金粉末的电镀溶液，其中所述前体合金粉末包含CoCrAlX或NiCoCrAlX，其中X为Re、Ta、Mo、W、Hf、Y、Si、Zr、C、B中的一者或多者，或这些元素的任意组合；

将镍和所述前体合金粉末电镀到所述基底上，形成生坯涂层，所述生坯涂层具有包含下列物质的组合物：5重量％至15重量％的钴、5重量％至10重量％的铬、5重量％至10重量％的铝、0至6重量％的钼、0至6重量％的钨、0至6重量％的钽、0至6重量％的铼、0至2重量％的钛、0至1重量％的锆、0至1重量％的铪、0至1重量％的钇、0至1重量％的硅、0至0.2重量％的碳、0至0.03重量％的硼，以及余量的镍；

在2000℉至2400℉范围内的温度下对所述生坯涂层执行持续2至6小时的第一次热处理；

使所述CoCrAlX或NiCoCrAlX粉末组合物扩散到镀镍基体中，以产生中间涂层；

在1400℉至1950℉范围内的温度下对所述组合物执行持续6至48小时的第二次热处理；以及

使γ'镍铝化物相沉淀，从而产生改性的电镀涂层。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

通过从其中悬浮有磨料颗粒的电镀溶液浴中电镀，来将所述磨料颗粒锚定到所述电镀涂层上；以及

用所述电镀涂层填充所述磨料颗粒周围。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述基底是具有尖端的涡轮叶片，并且所述磨料颗粒包括氮化硼颗粒。

17.一种电镀涂层，包括：

镍基金属电镀组合物，所述镍基金属电镀组合物包含5重量％至15重量％的钴、5重量％至10重量％的铬、5重量％至10重量％的铝、0至6重量％的钼、0至6重量％的钨、0至6重量％的钽、0至6重量％的铼、0至2重量％的钛、0至1重量％的锆、0至1重量％的铪、0至1重量％的钇、0至1重量％的硅、0至0.2重量％的碳、0至0.03重量％的硼，以及余量的镍，

所述组合物的特征在于具有至少部分地由γ-Ni基体和分布在所述γ-Ni基体中的γ'-Ni₃Al相限定的多相微观结构，其中所述γ-Ni基体指γ镍固溶体相基体，且所述γ'-Ni₃Al相指γ'镍铝化物相；

其中所述γ'-Ni₃Al相的含量为至少40体积％但不大于90体积％，由此产生在工作温度下与具有MCrAlY基体的涂层相比更大的极限拉伸强度；

所述电镀涂层可还包含Pt、Ir和Pd中的至少一者或这些元素的任意组合。

18.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述涂层作为独立式电铸材料施涂。

19.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述涂层作为具有所需物体的近净形状的独立式电铸材料施涂。

20.根据权利要求1所述的电镀涂层，其中所述涂层作为用于微机电系统应用的独立式电铸微样品施涂。