CN107217227B - 一种提高镍基合金抗氧化性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，将含铪镍基合金在水蒸气体积百分比为10％~70％、其余为空气的环境中，1000℃~1100℃恒温氧化10~70小时，在合金表面形成一层较薄的氧化铝层的同时，会在氧化铝层中形成一层层状的氧化铪，降低了氧化层与金属结合界面处的氧化速率，增加了合金的寿命，改善了镍基高温合金抗氧化性能差的技术难题，制备工艺稳定可靠，涂层结合力好、组织均匀、致密，涂层厚度可控；采用水蒸气处理高温合金的方法具有工艺简单、操作方便、效率高、成本低廉、易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明选用含元素Ni，Co，Cr，Al，Hf的合金作为基体，采用水蒸气提高镍基合金抗氧化性能的方法，属于新的高温合金预处理方式领域。
背景技术
镍基合金等高温合金被广泛地应用在航空发动机叶片、涡轮叶片等零部件上，其服役条件苛刻，易受到高温氧化。对于大多数燃气涡轮中的应用来说，保护发动机热端部件的表面免于高温氧化腐蚀，是当前面临的巨大挑战。热端部件的高温氧化腐蚀会大大缩短零件的使用寿命，引起严重的工作性能及安全上的问题。
目前，提高镍基高温合金表面抗高温氧化常见的预处理工艺：在表面形成一层较为致密的氧化铝层，阻隔氧向内扩散，而随着服役时间的加长，氧化铝层逐渐增长变厚，内应力导致氧化铝层的脱落，人们开始向基体中添加稀土元素，在晶界上偏析生成氧化物，提高了黏结性能和抗氧化性能，但是，随着使用温度的提高，抗氧化性能和寿命仍有待提高。
专利201510641385.4（一种改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法）指出，虽然Nb-Si基多元合金具有优异的力学性能，但其存在缺陷：在高温条件下较差的抗氧化性能是制约该合金实际应用的一大瓶颈。现阶段采用的提高Nb-Si基多元合金的抗氧化性能的方法为添加合金化元素和使用抗氧化涂层。添加Hf元素可提高合金的高温抗氧化性，其作用机制跟形成氧化铝晶界偏析物相同，对如何在氧化铝内部生成层状HfO2没有进行说明。
发明内容
Hf不仅可以提高氧化铝的粘结力，同时还可以减小氧化铝的生长速度。Hf主要偏析在涂层表面或者晶界处，氧化过程中形成HfO2，会在Al2O3晶界处偏析，这个过程会阻碍Al和O元素沿晶界的扩散，从而有利于提高涂层的抗氧化性能。本发明采用水蒸气预处理高温合金的方法，在表面形成一层较薄的氧化铝层的同时，会在氧化铝层中横向形成一层层状的氧化铪，极大降低了氧化层与金属结合界面处的氧化速率，进一步提高了抗氧化性能，增加了合金的寿命。
本发明要解决的技术问题是：解决现在高温合金的氧化速率快的问题。
本发明的目的是：提供一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al、Hf的合金为基体，进行表面清洁处理，合金中各元素的质量百分含量为：20%~50%Ni，20％~50%Co，15％~18％Cr，9％~12％Al，0.05％~1.5％Hf；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，进行恒温氧化，在合金基体表面形成具有抗氧化性能的涂层。
步骤（2）所述水蒸气环境中水蒸气的体积比为10％~70％，其余为空气。
步骤（2）所述恒温氧化温度为1000℃~1100℃。
步骤（2）所述恒温氧化时间为10~70小时。
与现有技术方案相比，本发明的有益效果如下：
（1）含铪镍基合金氧化铝层在合金表面形成共渗层，在表面形成一层较薄的氧化铝层的同时，在氧化铝层中形成一层层状的氧化铪，减少了铝离子的向外扩散和氧离子的向内扩散。
（2）本发明进一步降低了氧化层与金属结合界面处的氧化速率，增加了合金的寿命；改善了高温下镍基高温合金抗氧化性能差的技术难题，制备工艺稳定可靠，涂层结合力好、组织均匀、致密，涂层厚度可控。
（3）采用水蒸气预处理高温合金氧化层的方法具有工艺简单、操作方便、效率高、成本低廉、易于实现等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1合金的X射线衍射能谱（EDS）图；
图2为本发明实施例2合金截面扫描电子显微技术（SEM）图；
图3为本发明实施例2合金的层状氧化铪断面示意图；
图4为本发明实施例3合金层状氧化铪扫描电子显微技术（SEM）图；
图5为本发明实施例4和对比例合金随时间氧化增重图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al、Hf的合金为基体，进行常规表面清洁处理，合金中各元素的质量百分含量为：20%Ni，49.5%Co，18％Cr，12％Al，0.5％Hf；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，水蒸气环境中水蒸气所占的体积比例为25%，余下为空气，在1050℃温度下恒温氧化40小时，在合金基体表面形成抗氧化层。
如图1所示为本实施例生成的具有抗氧化层镍基合金的X射线衍射能谱（EDS）图，从图中可以看出，O、Hf、Al元素的峰值分别对应在箭头线的位置上，其中Hf元素的峰值对应于箭头线上颗粒状位置，说明颗粒状物质是Hf元素。
实施例2
本实施例一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al、Hf的合金为基体，进行常规表面清洁处理，合金中各元素的质量百分含量为：50%Ni，20%Co，17％Cr，11.5％Al，1.5％Hf；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，水蒸气环境中水蒸气所占的体积比例为40%，余下为空气，在1100℃温度下恒温氧化10小时，在合金基体表面形成抗氧化层。
图2为本实施例生成的具有抗氧化层镍基合金的截面扫描电子显微技术（SEM）图，从图中可以看出，形成了颗粒状的层状氧化铪；图3为本实施例生成的具有抗氧化层镍基合金的层状氧化铪断面示意图，在氧化铝层中形成了层状氧化铪。
实施例3
本实施例一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al、Hf的合金为基体，进行表面清洁处理，合金中各元素的质量百分含量为：40%Ni，35%Co，15％Cr，9％Al，1％Hf；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，水蒸气环境中水蒸气所占的体积比例为10%，余下为空气，在1000℃温度下恒温氧化70小时，在合金基体表面形成抗氧化层。
图4为本实施例生成的具有抗氧化层镍基合金的层状氧化铪扫描电子显微技术（SEM）图，从图中可以看出，在氧化铝层中形成了层状氧化铪。
实施例4
本实施例一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al、Hf的合金为基体，进行表面清洁处理，合金中各元素的质量百分含量为：23%Ni，50%Co，16％Cr，10.2％Al，0.8％Hf；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，水蒸气环境中水蒸气所占的体积比例为70%，余下为空气，在1080℃温度下恒温氧化60小时，在合金基体表面形成抗氧化层，抗氧化层中形成了层状氧化铪。
对比例
本实施例一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al的合金为基体，进行表面清洁处理，合金中各元素的质量百分含量为：23.8%Ni，50%Co，16％Cr，10.2％Al；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，水蒸气环境中水蒸气所占的体积比例为70%，余下为空气，在1080℃温度下恒温氧化60小时，在合金基体表面形成抗氧化层，抗氧化层中未形成层状氧化铪。
图5为本实施例4和对比例分别生成的具有抗氧化层镍基合金的随时间氧化增重图，从图中可以看出，随时间的增加，形成层状氧化铪的样品比未形成层状氧化铪的样品氧化增重少，说明形成层状氧化铪的样品抗高温氧化性能好。
Claims (4)
1.一种提高镍基合金抗氧化性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）以含有Ni、Co、Cr、Al、Hf的合金为基体，进行表面清洁处理，合金中各元素的质量百分比为：20%~50%Ni，20％~50%Co，15％~18％Cr，9％~12％Al，0.05％~1.5％Hf；
（2）将步骤（1）处理后的合金基体，在水蒸气环境中，进行恒温氧化，在合金基体表面形成抗氧化层；所述水蒸气环境中水蒸气的体积比为10％~70％，其余为空气；所述恒温氧化的温度为1000℃~1100℃，时间为10~70小时。
2.根据权利要求1所述提高镍基合金抗氧化性能的方法，其特征在于，步骤（1）中，Hf的质量百分比为0.5%~1.5%。
3.根据权利要求1所述提高镍基合金抗氧化性能的方法，其特征在于，步骤（2）所述水蒸气环境中水蒸气的体积比为25％~70％。
4.一种采用如权利要求1~3中任一项所述方法制备得到的镍基合金，其合金基体表面形成有一层氧化铝层，同时在氧化铝层中横向形成有一层层状的氧化铪。
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