CN109972133A - 感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法 - Google Patents

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李文生
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
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Abstract

感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其步骤为：（1）将粒度300目~400目的Ni，Co，Cr，Al，Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合4小时形成NiCoCrAlY均匀混合粉末；（2）采用低压冷喷涂设备在钢基体表面制备Ni、Co、Cr、Al、Y混合粉体涂层；（3）再采用感应原位合成耐高温氧化、耐高温磨损NiCoCrAlY合金涂层。

Description

感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法
技术领域
本发明涉及表面工程领域， 具体涉及抗高温氧化、耐高温磨损的涂层制备技术。
背景技术
高温防护涂层从热扩散单一的铝化物涂层到改性的铝化物涂层，再发展到ＭCrAlY涂层包覆涂层和热障涂层经历了约90余年。MCrAlY（M为Ni、Co或Ni与Co的混合）镍基高温合金具有优异的抗氧化性，耐腐蚀性和耐磨性能，已广泛用作涂层材料，有效保护燃气涡轮发动机组件在极端恶劣的环境中工作。与其他合金相比，镍基高温合金在500 ℃以上仍具有优良的力学性能，而且镍表面容易被氧化形成具有较好可塑性和附着性的NiO，同时NiO本身还是一种高温固体润滑剂，这种合金在高温摩擦过程中，由于表面NiO的生成，使得摩擦系数和磨损率都有不同程度的降低。制备这种涂层的传统方法都是首先制备出该种合金的粉体材料，然后采用等离子喷涂技术或者高压冷喷涂技术等制备合金涂层，这种合金粉体的制备本身难度较大，导致目前商用镍基高温合金粉末价格极其昂贵，硬度极高，且必须采用等离子或者高压冷喷涂等操作复杂的技术才能够制备涂层，不仅加大了操作难度，还提高了制备成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法。
本发明是感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其步骤为：
（1）将粒度300目~400目的Ni，Co，Cr，Al，Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合4小时形成NiCoCrAlY均匀混合粉末；
（2）采用低压冷喷涂设备在钢基体表面制备Ni、Co、Cr、Al、Y混合粉体涂层；
（3）再采用感应原位合成耐高温氧化、耐高温磨损NiCoCrAlY合金涂层。
本发明的将粒度300目~400目的Ni，Co，Cr，Al，Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合均匀后，采用低压冷喷涂设备制备预制涂层，之后再进行高频感应加热处理，让涂层中的单质元素相互发生扩散和冶金反应，形成新的化合物相，大大降低成本的同时，提高涂层的抗高温氧化性能及耐高温磨损性能。
和目前最常用的采用等离子喷涂技术沉积商用合金粉末从而制备镍基高温合金涂层的方法相比，商用粉末的成本高昂，设备操作复杂，往往终极粉体材料在喷涂过程中已发生氧化。本发明提出的通过单质粉体简单机械混合后，先用低压冷喷涂制备预制涂层，再对涂层进行感应加热处理的方式，低压冷喷涂和感应加热整个过程保证了涂层在制备过程中不被氧化，并使得涂层的组织更加致密，大大节约了成本和降低了制备难度，通过对涂层在不同温度和不同时长的氧化性能和高温下的耐高温磨损性能测试，合成的涂层达到了很好的效果。具有工艺简洁，可操作性好等特点。
附图说明
图1为感应加热原位合成制备的NiCoCrAlY合金涂层的涂层截面，图2为感应加热原位合成制备的NiCoCrAlY合金涂层的涂层表面，图3为NiCoCrAlY合金涂层和基体分别在950℃、1050℃时的氧化增重动力学曲线，图4为NiCoCrAlY合金涂层分别在室温、200℃、400℃、600℃、800℃时在载荷为10N下的体积磨损率。
具体实施方式
本发明是感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其步骤为：
（1）将粒度300目~400目的Ni，Co，Cr，Al，Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合4小时形成NiCoCrAlY均匀混合粉末；
（2）采用低压冷喷涂设备在钢基体表面制备Ni、Co、Cr、Al、Y混合粉体涂层；
（3）再采用感应原位合成耐高温氧化、耐高温磨损NiCoCrAlY合金涂层。
本发明的具体的操作方法是：将粒度300目~400目的Ni、Co、Cr、Al、Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合4小时形成Ni、Co、Cr、Al、Y均匀混合粉末，基体可以为不锈钢或普通碳钢均可，可以是平板基体，也可以是圆柱体基体，在其表面预制混合粉体涂层。采用低压冷喷涂设备沉积Ni、Co、Cr、Al、Y混合粉末，涂层喷涂厚度约为160μm。具体喷涂工艺参数为：压力为0.6~0.8MPa，温度为500℃，喷涂距离为25~35mm，喷嘴移速为50~100mm/s,载气采用压缩空气。喷涂前对待喷的基体材料进行喷砂粗化处理后、丙酮清洗除去表面的油污。之后采用高频感应加热设备对预制混合粉体涂层进行感应加热处理。对于平板型基体感应加热线圈采用平面型线圈，对于圆柱体基体表面，采用外圆加热感应线圈，线圈与试样表面距离为3~4 mm，加热功率为2.0 kW，频率为175 kHz，加热温度为800℃。
选用310S耐热钢（0Cr25Ni20）作为基体材料。喷涂前对待喷的基体材料进行喷砂粗化处理后、丙酮清洗表面油污。选择粒度为300目~400目的Ni、Co、Cr、Al、Y单质粉体为涂层制备原材料，准确称取质量比为4：2：1.5：1：0.03的混合粉体进行机械混合，再通过手工研磨的方式对混合粉体搅拌均匀，从而制得Ni、Co、Cr、Al、Y混合粉体涂层。再采用高频感应加热设备对混合粉体涂层进行感应加热处理，使涂层形成动态原位扩散和冶金化反应行为，从而制备NiCoCrAlY合金涂层。下面用更为具体的实施例进一步展开本发明。
实施例1：
以尺寸为100mm×100mm×11mm的310s不锈钢为基体，将Ni、Co、Cr、Al、Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合4小时形成NiCoCrAlY混合粉末，之后采用低压冷喷涂设备制备预制混合粉体涂层。再采用高频感应加热设备对混合粉体涂层进行感应加热处理。
喷涂参数如下：压力为0.6~0.8MPa，温度为500℃，喷涂距离为25mm，喷嘴移速为50~100mm/s，载气采用压缩空气，获得的预制混合粉体涂层厚度160μm。
重熔参数如下：平面线圈端面与试样表面距离为3~4 mm，加热功率为2.0 kW，频率为175 kHz，加热温度为800℃。
如图1、图2所示，感应原位合成的NiCoCrAlY涂层发生了充分的冶金化反应，组织结构致密，基体与涂层之间形成了牢固的冶金结合。涂层的氧化增重也比基体小得多，可以有效地保护基体在高温下不被快速氧化。同时涂层在800℃高温时的磨损率不大，摩擦系数很平稳，波动不大。
实施例2：
分别在950℃和1050℃下测试涂层的抗氧化性能，并和310S耐热钢（0Cr25Ni20）的抗氧化性能进行对比，其氧化动力学曲线表明，通过感应原位合成的NiCoCrAlY涂层具有非常优良的抗氧化性能。950℃时感应原位合成的NiCoCrAlY涂层氧化50 h后增重为3.4 mg/cm2，较310S耐热钢在同一时刻的氧化增重低约27.7%；如图3所示，1050℃时感应原位合成的NiCoCrAlY涂层氧化50 h后增重为3.65 mg/cm2，较310S耐热钢在同一时刻的氧化增重低约24.7%。
NiCoCrAlY合金涂层从室温(RT)到800℃的摩擦学性能研究表明，感应原位合成的NiCoCrAlY合金涂层在高温600℃、800℃时的表现为极低磨损率，高温耐磨性能优良，600℃时涂层具有最优的耐磨性能，其磨损率仅为2×10-5mm3/(N∙m)，较传统方法制备该合金涂层测得的磨损率还要低一个数量级。如图4所示，本发明的感应原位合成NiCoCrAlY涂层具有更加优良的耐高温磨损性能。

Claims (4)

1.感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其特征在于，其步骤为：
（1）将粒度300目~400目的Ni，Co，Cr，Al，Y的单质粉末以4：2：1.5：1：0.03的质量比机械混合4小时形成NiCoCrAlY均匀混合粉末；
（2）采用低压冷喷涂设备在钢基体表面制备Ni、Co、Cr、Al、Y混合粉体涂层；
（3）再采用感应原位合成耐高温氧化、耐高温磨损NiCoCrAlY合金涂层。
2.根据权利要求1的所述的感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其特征在于低压冷喷涂预制涂层厚度约为160μm。
3.根据权利要求1的所述的感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其特征在于喷涂工艺参数为：压力为0.6~0.8MPa，温度为500℃，喷涂距离为25~35mm，喷嘴移速为50~100mm/s，载气采用压缩空气。
4.根据权利要求1的所述的感应原位合成制备NiCoCrAlY高温合金涂层的方法，其特征在于感应加热线圈距离试样表面距离为3~4 mm，加热功率为2.0 kW，频率为175 kHz，加热温度为800℃。
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