CN111593394B - 一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法及其应用 - Google Patents

一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镍基合金镍铼‑三氧化二铝扩散障的制备方法及其应用，包含以下步骤：在溶剂中加入Al2O3微粒和添加剂，得到电泳悬浮液；将镍基合金浸入电泳悬浮液，通过电泳工艺在镍基合金表面沉积Al2O3镀层；再在蒸馏水中加入铼酸铵、柠檬酸、糖精、十二烷基硫酸钠，待溶解后加入氨基磺酸镍，常温下加入氨水调节pH值，得到电镀溶液；将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入电镀溶液，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀后经清洗、干燥后得到表面沉积NiRe‑Al2O3扩散障的镍基合金。本发明提供的方法，制备工艺简便、效率高、成本低且容易产业化。

Description

一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及金属表面制备热扩散障的方法，尤其涉及一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法及其应用。
背景技术
高温合金一般要求必须同时具备两方面的性能要求，即优异的高温力学性能和抗高温腐蚀性能。但实际上对同一种合金，这两方面的性能之间有时是相互矛盾的，不可能同时达到最优化。要解决二者之间的矛盾，仅仅靠高温合金基体材料本身的工艺改进是不能满足现代航空航天飞机发展的性能要求的，必须通过高温防护涂层即在合金表面沉积合金涂层，及在合金涂层表面再施加氧化物陶瓷涂层来解决。通常涂层都较薄，主要起保护基体金属不受高温腐蚀的作用。而对高温强度的要求则主要由基体合金本身来承担。由于基体合金和防护涂层可以单独地设计，所以施加防护涂层的合金部件就可以既保持合金足够的高温强度而表面又具有优异的耐高温腐蚀性能。
NiAl、PtAl和McrAlY等复合材料是高温合金常用的高温防护涂层基材，但在长时间的高温氧化过程中涂层与基体由于元素浓度差异会产生互扩散，导致合金表层组织退化，蠕变性能下降，该问题己经成为限制上述防护涂层应用的重要因素。为有效的减轻互扩散对抗高温氧化防护外层体系的不利影响，在抗高温氧化防护外层和基体合金间施加扩散障是一个行之有效的途径。目前扩散障主要分金属和氧陶瓷两大体系，前者界面强韧性好但阻扩散能力不足，后者阻扩散能力强但界面强韧性不足。金属与陶瓷的复合体系有望解决上述问题，但目前还没有一种简单便捷的方法，既能获得高的陶瓷颗粒复合量，又能容易的对其中金属成分、晶粒大小以及陶瓷相的粒径和体积分数进行调控，无法得到理想的扩散障。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，包含以下步骤：
S1: 在有机溶剂中加入Al2O3微粒和添加剂，超声混合均匀，得到电泳悬浮液；
S2：将镍基合金浸入电泳悬浮液，采用电泳工艺，镍基合金作为阴极进行Al2O3沉积，干燥后得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金；
S3：在一定量的蒸馏水中依次加入铼酸铵、柠檬酸、糖精、十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入氨基磺酸镍进行搅拌，混合均匀，常温条件下加入氨水调节溶液pH值范围在8~8.5，得到碱性NiRe电镀溶液；
S4：将S2步骤得到的表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极、镍基合金为阴极进行电镀，电镀后使用无水乙醇超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。
进一步地，所述S1步骤中有机溶剂为乙醇、丙酮或乙酰丙酮中的一种或其任意配比混合物。
进一步地，所述S1步骤中Al2O3颗粒粒径为20nm至1μm的单一粒径或不同粒径的任意混合，Al2O3颗粒在悬浮液中质量质量浓度为4~16g/L。
进一步地，所述S1步骤中添加剂为MgCl2·6H2O或I2，添加剂在悬浮液中的质量浓度为0.6~1.6g/L。
进一步地，所述S2步骤中电泳工艺参数如下：温度为室温，电压为60~100V，单次电泳沉积时间为15~20秒。
进一步地，所述S2步骤中电泳工艺包含多次电泳，单次电泳完成后取出高温合金，在空气中自然晾干后再重复电泳，总计电泳次数为2~4次。
进一步地，所述S3步骤碱性NiRe电镀溶液各组分质量浓度为：铼酸铵5~20g/L、柠檬酸50~100g/L、糖精1~2g/L、十二烷基硫酸钠0.1~0.5g/L、氨基磺酸镍150~250g/L。
进一步地，所述S4步骤电镀工艺参数如下：工作电流密度为1~5A/dm2，温度30~60℃，电镀时间10~30min。
进一步地，所述NiRe-Al2O3扩散障的厚度为1~5μm。
本发明第二方面提供了一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的应用，将NiRe-Al2O3扩散障沉积在镍基合金表面，再在NiRe-Al2O3扩散障表面沉积防护涂层。
本发明的有益效果：本发明所采用的电泳、电沉积两步法不仅突破了传统复合电沉积颗粒复合量偏低且难以准确控制的技能瓶颈，而且还具有设备简单投入小、操作简便、沉积效率高等特点，制备成本低，容易实现工业化生产。此外，根据需要可通过控制电泳液中Al2O3颗粒粒径得到具有不同空隙率的电泳层，达到扩散障中Al2O3的体积分数的调控；通过电镀溶液成分和电流密度的变化，实现NiRe金属成分和晶粒尺寸的调控，得到界面强韧性好且阻扩散能力强的NiRe-Al2O3扩散障。NiRe-Al2O3扩散障层可用于抑制高温结构材料与表面防护涂层之间的元素互扩散，为镍基合金材料高温力学性能的长期稳定提供保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中表面沉积Al2O3镀层的镍基合金外观图；
图2为实施例1在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障微观结构图；
图3为实施例1在NiRe-Al2O3扩散障表面沉积NiCrAlY涂层得到的镍基高温合金微观结构图；
图4为实施例1在NiRe-Al2O3扩散障表面沉积NiCrAlY涂层得到的镍基高温合金经过高温处理后的微观结构图；
图5为对比实施例1在镍基合金表面直接沉积NiCrAlY涂层得到的镍基高温合金经过高温处理后的微观结构图。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
在乙醇中依次加入质量浓度为10g/L、粒度为100nm的Al2O3颗粒，质量浓度1g/L的MgCl2·6H2O，超声分散得到电泳悬浮液；将镍基合金作为阴极浸入电泳悬浮液，不溶性导电材料为阳极，常温下采用电泳工艺，工作电压80V，电泳沉积15秒后取出，空气中自然晾干后再进行电泳沉积，重复此步骤4次，干燥，得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金，其外观如图1所示。
碱性NiRe电镀溶液：在蒸馏水中依次加入质量浓度为15g/L的铼酸铵、75g/L的柠檬酸、1.5g/L的糖精和0.3g/L的十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入200g/L的氨基磺酸镍，混合均匀后加入氨水调节溶液pH值为8.2。
将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀工作电流密度为3A/dm2，温度50℃，电镀时间20min。电镀完成后在无水乙醇中超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的微观结构如图2所示，从图中可以看出，NiRe-Al2O3扩散障厚度约为3μm。
在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的基础之上，利用电泳及电沉积工艺，进一步在其表面沉积NiCrAlY涂层，其微观结构如图3所示。
图4为镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障、再进一步沉积NiCrAlY涂层得到的镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后的微观结构图。从图中可以看出，镍基高温合金表层的二次反应区的深度约为3μm。
为了验证NiRe-Al2O3扩散障对镍基合金与表面防护涂层之间互扩散的抑制作用，以下将以实施例1为参考，设置对比实施例1。
对比实施例1
利用电泳及电沉积工艺，直接在镍基合金表面沉积NiCrAlY涂层，测试其性能。
图5为镍基合金表面直接沉积NiCrAlY涂层得到的镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后的微观结构图。从图中可以看出，镍基高温合金表层的二次反应区的深度约为20μm。
综合实施例1和对比实施例1实验结果可知，经高温处理后，包含NiRe-Al2O3扩散障的表面沉积NiCrAlY涂层的镍基合金表层二次反应区的深度约为3μm，远小于表面直接沉积NiCrAlY涂层的镍基合金表层的二次反应区深度20μm，表明NiRe-Al2O3扩散障抑制了高温条件下镍基合金与NiCrAlY涂层之间的元素互扩散。
实施例2
在丙酮中依次加入质量浓度为13g/L、粒度为1um的Al2O3颗粒，质量浓度0.6g/L的MgCl2·6H2O，超声分散得到电泳悬浮液；将镍基合金作为阴极浸入电泳悬浮液，不溶性导电材料为阳极，常温下采用电泳工艺，工作电压60V，电泳沉积20秒后取出，空气中自然晾干后再进行电泳沉积，重复此步骤2次，干燥，得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金。
碱性NiRe电镀溶液：在蒸馏水中依次加入质量浓度为5g/L的铼酸铵、50g/L的柠檬酸、1g/L的糖精和0.1g/L的十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入150g/L的氨基磺酸镍，混合均匀后加入氨水调节溶液pH值为8。
将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀工作电流密度为5A/dm2，温度60℃，电镀时间10min。电镀完成后在无水乙醇中超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。经检测，NiRe-Al2O3扩散障厚度约为4μm。
在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的基础之上，利用电泳及电沉积工艺，进一步在其表面沉积NiCrAlY涂层，得到镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后，经检测，合金表层的二次反应区的深度约为2μm。
实施例3
在乙酰丙酮中依次加入质量浓度为16g/L、粒度为20nm的Al2O3颗粒，质量浓度1.6g/L的 I2，超声分散得到电泳悬浮液；将镍基合金作为阴极浸入电泳悬浮液，不溶性导电材料为阳极，常温下采用电泳工艺，工作电压100V，电泳沉积18秒后取出，空气中自然晾干后再进行电泳沉积，重复此步骤2次，干燥，得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金。
碱性NiRe电镀溶液：在蒸馏水中依次加入质量浓度为20g/L的铼酸铵、100g/L的柠檬酸、2g/L的糖精和0.5g/L的十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入250g/L的氨基磺酸镍，混合均匀后加入氨水调节溶液pH值为8.5。
将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀工作电流密度为1A/dm2，温度30℃，电镀时间30min。电镀完成后在无水乙醇中超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。经检测，NiRe-Al2O3扩散障厚度约为5um。
在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的基础之上，利用电泳及电沉积工艺，进一步在其表面沉积NiCrAlY涂层，得到镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后，经检测，合金表层的二次反应区的深度约为1.5μm。
实施例4
在80wt%乙醇和20wt%丙酮的混合溶液中依次加入质量浓度为2g/L、粒度为50nm和质量浓度为2g/L、粒度为500nm的混合Al2O3颗粒，质量浓度0.8g/L的 I2，超声分散得到电泳悬浮液；将镍基合金作为阴极浸入电泳悬浮液，不溶性导电材料为阳极，常温下采用电泳工艺，工作电压70V，电泳沉积16秒后取出，空气中自然晾干后再进行电泳沉积，重复此步骤4次，干燥，得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金。
碱性NiRe电镀溶液：在蒸馏水中依次加入质量浓度为10g/L的铼酸铵、60g/L的柠檬酸、1.2g/L的糖精和0.2g/L的十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入170g/L的氨基磺酸镍，混合均匀后加入氨水调节溶液pH值为8.1。
将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀工作电流密度为2A/dm2，温度35℃，电镀时间25min。电镀完成后在无水乙醇中超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。经检测，NiRe-Al2O3扩散障厚度约为1μm。
在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的基础之上，利用电泳及电沉积工艺，进一步在其表面沉积NiCrAlY涂层，得到镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后，经检测，合金表层的二次反应区的深度约为8μm。
实施例5
在20wt%丙酮和80wt%乙酰丙酮的混合溶液中依次加入质量浓度为2g/L、粒度为80nm和质量浓度为4g/L、粒度为600nm的混合Al2O3颗粒，质量浓度1g/L的 MgCl2·6H2O，超声分散得到电泳悬浮液；将镍基合金作为阴极浸入电泳悬浮液，不溶性导电材料为阳极，常温下采用电泳工艺，工作电压90V，电泳沉积17秒后取出，空气中自然晾干后再进行电泳沉积，重复此步骤3次，干燥，得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金。
碱性NiRe电镀溶液：在蒸馏水中依次加入质量浓度为12g/L的铼酸铵、70g/L的柠檬酸、1.4g/L的糖精和0.3g/L的十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入190g/L的氨基磺酸镍，混合均匀后加入氨水调节溶液pH值为8.3。
将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀工作电流密度为3.5A/dm2，温度40℃，电镀时间20min。电镀完成后在无水乙醇中超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。经检测，NiRe-Al2O3扩散障厚度约为1.8μm。
在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的基础之上，利用电泳及电沉积工艺，进一步在其表面沉积NiCrAlY涂层，得到镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后，经检测，合金表层的二次反应区的深度约为6μm。
实施例6
在60wt%乙醇和40wt%乙酰丙酮的混合溶液中依次加入质量浓度为1.5g/L、粒度为120nm和质量浓度为6.5g/L、粒度为800nm的混合Al2O3颗粒，质量浓度1.2g/L的 I2，超声分散得到电泳悬浮液；将镍基合金作为阴极浸入电泳悬浮液，不溶性导电材料为阳极，常温下采用电泳工艺，工作电压95V，电泳沉积19秒后取出，空气中自然晾干后再进行电泳沉积，重复此步骤2次，干燥，得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金。
碱性NiRe电镀溶液：在蒸馏水中依次加入质量浓度为18g/L的铼酸铵、80g/L的柠檬酸、1.6g/L的糖精和0.4g/L的十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入210g/L的氨基磺酸镍，混合均匀后加入氨水调节溶液pH值为8.4。
将表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极，以镍基合金为阴极进行电镀，电镀工作电流密度为4A/dm2，温度45℃，电镀时间15min。电镀完成后在无水乙醇中超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。经检测，NiRe-Al2O3扩散障厚度约为2.5μm。
在镍基合金表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的基础之上，利用电泳及电沉积工艺，进一步在其表面沉积NiCrAlY涂层，得到镍基高温合金试样，在1050℃氧化50h处理后，经检测，合金表层的二次反应区的深度约为4.8μm。
Figure 79189DEST_PATH_IMAGE001
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：在有机溶剂中加入Al2O3微粒和添加剂，超声混合均匀，得到电泳悬浮液；所述添加剂为MgCl2·6H2O或I2，添加剂在悬浮液中的质量浓度为0.6~1.6g/L；
S2：将镍基合金浸入电泳悬浮液，采用电泳工艺，镍基合金作为阴极进行Al2O3沉积，干燥后得到表面沉积Al2O3镀层的镍基合金；
S3：在一定量的蒸馏水中依次加入铼酸铵、柠檬酸、糖精、十二烷基硫酸钠，待全部溶解后加入氨基磺酸镍进行搅拌，混合均匀，常温条件下加入氨水调节溶液pH值范围在8~8.5，得到碱性NiRe电镀溶液；
S4：将S2步骤得到的表面沉积Al2O3镀层的镍基合金浸入碱性NiRe电镀溶液，以电解镍板作为阳极、镍基合金为阴极进行电镀，电镀后使用无水乙醇超声清洗5分钟，干燥后制备得到表面沉积NiRe-Al2O3扩散障的镍基合金。
2.根据权利要求1所述的一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中有机溶剂为乙醇、丙酮或乙酰丙酮中的一种或其任意配比混合物。
3.根据权利要求1所述的一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中Al2O3颗粒粒径为20nm至1μm的单一粒径或不同粒径的任意混合，Al2O3颗粒在悬浮液中质量浓度为4~16g/L。
4.根据权利要求1所述的一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中电泳工艺参数如下：温度为室温，电压为60~100V，单次电泳沉积时间为15~20秒。
5.根据权利要求1所述的一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中电泳工艺包含多次电泳，单次电泳完成后取出高温合金，在空气中自然晾干后再重复电泳，总计电泳次数为2~4次。
6.根据权利要求1所述的一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述S3步骤碱性NiRe电镀溶液各组分质量浓度为：铼酸铵5~20g/L、柠檬酸50~100g/L、糖精1~2g/L、十二烷基硫酸钠0.1~0.5g/L、氨基磺酸镍150~250g/L。
7.根据权利要求1所述的一种镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述S4步骤电镀工艺参数如下：工作电流密度为1~5A/dm2，温度30~60℃，电镀时间10~30min。
8.根据权利要求1~7的任何一项所述的镍基合金镍铼-三氧化二铝扩散障的制备方法，其特征在于，所述NiRe-Al2O3扩散障的厚度为1~5μm。
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