CN112647108B - 一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法，采用电泳技术，在低于10wt%铬含量的镍基合金表面预沉积一薄层具有刚玉结构的氧化物纳米颗粒，再在低于900℃的空气中氧化时，在镍基合金表面热生长一层连续的氧化铬保护膜。本发明通过镍基合金表面预沉积氧化物纳米颗粒，降低了Cr2O3的形核功，诱导Cr2O3在合金表面形成连续的外氧化膜，能避免镍基合金因Cr含量不足而发生Cr的内氧化，抑制了非保护性的NiO生长，从而可显著提高低铬含量的镍基合金的抗高温氧化性能，降低其高温氧化的速率；发明方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉、沉积效率高等优点。

Description

一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法
技术领域
本发明涉及一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法，具体属于电泳技术领域。
背景技术
在航空发动机中应用的镍基高温合金材料通常含有18%-22%的铬元素，以达到在高温氧化时合金表面能够形成一层连续、稳定和生长速率低的氧化铬保护膜的目的。该氧化铬保护膜能够有效隔绝空气，从而阻止镍基合金基体的继续氧化。随着航空发动机推重比的不断提高，对镍基高温合金材料高温强度的要求也越来越高。为此，合金中的固溶强化元素（Mo、W、Ru、Re等）的总量不断提高，导致合金中的铬元素含量逐渐降低，这使得这些镍基高温合金形成氧化铬保护膜的能力也随之降低。
目前，提高镍基高温合金材料抗高温氧化性能常见的方法为：在表面施加一层抗高温氧化的防护涂层，如利用粉末包埋或者化学气相沉积的方法制备扩散涂层，以及利用物理气相沉积或等离子喷涂的方法制备包覆涂层。这些涂层在高温氧化时能够形成氧化铬或者氧化铝保护膜，具有良好的抗氧化性能。但是，这些涂层制备方法都会对材料产生较大的热影响，而且工艺流程复杂，资金投入大，沉积效率不高，使它们的广泛应用受到限制。
因此，开发一种对基材热影响小、沉积效率高的高温防护涂层制备技术，以促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜，从而提高其抗高温氧化性能，具有很好的应用前景。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法，在合金基体上预沉积一层具有刚玉结构的氧化物纳米颗粒，进而提高低铬含量的镍基合金的抗高温氧化性能。
为了达到上述目的，本发明一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法采用电泳技术，在低于10wt%铬含量的镍基合金表面预沉积一薄层具有刚玉结构的氧化物纳米颗粒，再在低于900℃的空气中氧化时，在镍基合金表面热生长一层连续的氧化铬保护膜；具体过程为：
步骤1：镍基合金的表面处理
以低于10 wt %铬含量的镍基合金为基体材料，用水磨砂纸打磨表面至800目后，在丙酮中超声清洗3min，除去表面油污和杂质；
步骤2：电泳液的配制
将粒度为50～100 nm的氧化物纳米粉浸泡在氯化镁和无水乙醇的混合物中，并使颗粒分散均匀，得到电泳液，其中：氧化物纳米粉与无水乙醇的比例为1.0～6.0 g∶400 ml，氯化镁与无水乙醇的比例为0.3～0.5 g∶400 ml；
步骤3：电泳处理
通过超声振动使氧化物纳米粉在电泳液中分散均匀，电泳液温度保持在20～30℃，采用铅板为阳极，镍基合金为阴极，电场强度为10～20V/cm，电泳10～30 s，在镍基合金表面预沉积厚度为1～5μm的氧化物纳米颗粒薄层；
步骤4：氧化铬保护膜的热生长
将步骤3表面预沉积氧化物纳米颗粒薄层的镍基合金在低于900℃的空气中氧化，在镍基合金表面热生长一层连续的氧化铬保护膜。
所述的氧化物为α-Al2O3、α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3或V2O3。
本发明的设计思想是：
为了提高10 wt %以下低铬含量的镍基合金在低于900℃时的抗高温氧化性能，使镍基合金在氧化过程中表面能够形成保护性的氧化铬膜，减少非保护性的NiO形成。本发明利用α-Al2O3、α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3或V2O3等氧化物具有与Cr2O3相同的刚玉结构特点，在高温氧化反应前，先在低铬含量的镍基合金表面预沉积一薄层这些氧化物纳米颗粒，在氧化过程中它们将作为Cr2O3的形核点，降低Cr2O3的形核功，促进Cr由内氧化向外氧化转变，最后在镍基合金表面形成连续的Cr2O3膜。通过采用电泳技术，在低铬含量的镍基合金表面预沉积一薄层的刚玉结构的氧化物纳米颗粒，将有足够的Cr2O3形核点诱导Cr2O3颗粒在合金表面形成连续的Cr2O3膜，从而抑制非保护性的NiO生长。
本发明的有益效果：
1、本发明采用电泳技术，在10 wt %以下低铬含量的镍基合金表面预沉积一薄层刚玉结构的氧化物纳米颗粒，通过降低Cr2O3的形核功，诱导Cr2O3在合金表面形成连续的外氧化膜，能避免镍基合金因Cr含量不足而发生Cr 的内氧化，抑制了非保护性的NiO生长，从而可显著提高低铬含量的镍基合金的抗高温氧化性能，降低其高温氧化的速率。
2、本发明利用现有的电泳工艺设备，在电泳液中加入少量具有刚玉结构的氧化物纳米颗粒，能够在镍基合金表面形成一薄层的预沉积层。在室温下进行，热影响小，可避免因高温引起基体材料的相变。本发明方法还具有工艺简单、操作方便、成本低廉、沉积效率高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的10wt%铬含量的镍基合金表面电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层的表面形貌；
图2为本发明实施例2的在10wt%铬含量的镍基合金表面有电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时，和无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时在800℃空气中氧化20 h后的氧化增重比较图；
图3为本发明实施例2的电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒的10wt%铬含量镍基合金在800 ℃空气中氧化20 h后的氧化膜截面形貌图；
图4作为比较的无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒的10wt%铬含量镍基合金在800℃空气中氧化20 h后的氧化膜截面形貌图；
图5为本发明实施例2的电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒的10wt%铬含量镍基合金在800oC空气中氧化20 h后的X射线衍射图谱；
图6作为比较的无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒的10wt%铬含量镍基合金在800 oC空气中氧化20 h后的X射线衍射图谱。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。除非另外说明，否则所有的分数为重量份，所有的百分比为重量百分比。
实施例1
以10wt%铬含量的镍基合金为基体，在其表面上沉积一层α-Al2O3纳米颗粒，其过程具体为：选取15×10×2 mm的10wt%铬含量的镍基合金试片为基体，用水磨砂纸打磨表面至800目后，在丙酮中超声清洗3分钟，除去涂层表面的油污和杂质，取粒度范围为50-100 nm的纳米α-Al2O3粉5 g，将其浸泡在由400 ml无水乙醇和0.5g 的MgCl2组成的电泳液中，使颗粒分散。电泳前，通过超声振动使α-Al2O3纳米粉充分悬浮在电泳液中，电泳液温度保持在25oC，采用铅板为阳极，10wt%铬含量的镍基合金试片为阴极，电场强度为15V/cm，电泳10s。在10wt%铬含量的镍基合金基体表面沉积了一层α-Al2O3纳米颗粒，表面形貌如图1所示。
实施例2
将10wt%铬含量的镍基合金和同实施例1方法制备的电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层的10wt%铬含量的镍基合金在800℃空气中氧化20小时，然后利用扫描电镜观察了两种条件下合金表面形成的氧化膜形貌，采用X射线衍射的方法对氧化膜的相组成进行了分析。
高温氧化实验采用Thermo Cahn公司生产的型号为TherMax700的TGA高温热天平进行，升温速率为30℃/min，800℃保温20小时，然后随炉冷却。图2中的两条曲线分别为10wt%铬含量的镍基合金表面有电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时，和无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时在800℃空气中氧化20小时后的氧化增重。由图2可知，10wt%铬含量的镍基合金表面无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时的氧化增重为～1.92 mg/cm2，而有电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时的氧化增重为～0.12 mg/cm2，后者仅是前者的6%，氧化增重显著降低，说明抗高温氧化性能显著提高。
图3为有电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层的10wt%铬含量的镍基合金在800 oC空气中氧化20小时后的截面形貌，合金表面的氧化膜很薄，说明抗高温氧化性能较好。但是，当10wt%铬含量的镍基合金表面无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时，合金表面形成了～10 mm厚的多层结构氧化膜，说明其抗高温氧化性能较差（图4）。
图5为有电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层的10wt%铬含量的镍基合金在800 oC空气中氧化20小时后的X射线衍射图谱。该图显示Ni基体的衍射峰很强，表明合金表面的氧化膜很薄。同时，NiO的衍射峰很微弱，说明其在氧化膜中的含量很低，氧化膜主要由Cr2O3组成。图6为当10wt%铬含量的镍基合金表面无电泳预沉积α-Al2O3纳米颗粒薄层时，在800 oC空气中氧化20小时后的X射线衍射图谱。该图显示NiO的衍射峰很强，表明氧化膜主要由NiO构成，Cr2O3的含量较低。
10wt%铬含量的镍基合金中的铬含量较低，不足以支持合金表面形成一层连续的Cr2O3膜阻挡层，导致基体金属Ni被氧化，所以该合金形成的氧化膜中含有较多的非保护性的NiO。由于α-Al2O3和Cr2O3具有相同的刚玉结构，所以在10wt%铬含量的镍基合金表面预沉积一层α-Al2O3纳米颗粒后，在氧化过程中这些α-Al2O3纳米颗粒将作为Cr2O3的形核点，诱导Cr2O3颗粒在合金表面形成连续的Cr2O3膜，阻止基体金属Ni的氧化，所以此时合金形成的氧化膜中NiO的含量大幅减少。
实施例结果表明，由于Cr2O3和α-Al2O3、α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3或V2O3纳米颗粒具有相同的刚玉结构，在低于900 oC的空气中氧化时，这些氧化物纳米颗粒可作为Cr2O3的形核点，促进低铬含量的镍基合金在表面形成连续的保护性Cr2O3膜，抑制非保护性的NiO生长，从而提高低铬含量的镍基合金的抗高温氧化性能，降低其高温氧化的速率。

Claims (2)

1.一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法，其特征在于：所述的方法采用电泳技术，在低于10wt%铬含量的镍基合金表面预沉积一薄层具有刚玉结构的氧化物纳米颗粒，再在低于900℃的空气中氧化时，在镍基合金表面热生长一层连续的氧化铬保护膜；具体过程为：
步骤1：镍基合金的表面处理
以低于10 wt %铬含量的镍基合金为基体材料，用水磨砂纸打磨表面至800目后，在丙酮中超声清洗3min，除去表面油污和杂质；
步骤2：电泳液的配制
将粒度为50～100 nm的氧化物纳米粉浸泡在氯化镁和无水乙醇的混合物中，并使颗粒分散均匀，得到电泳液，其中：氧化物纳米粉与无水乙醇的比例为1.0～6.0 g∶400 ml，氯化镁与无水乙醇的比例为0.3～0.5 g∶400 ml；
步骤3：电泳处理
通过超声振动使氧化物纳米粉在电泳液中分散均匀，电泳液温度保持在20～30℃，采用铅板为阳极，镍基合金为阴极，电场强度为10～20V/cm，电泳10～30 s，在镍基合金表面预沉积厚度为1～5μm的氧化物纳米颗粒薄层；
步骤4：氧化铬保护膜的热生长
将步骤3表面预沉积氧化物纳米颗粒薄层的镍基合金在低于900℃的空气中氧化，在镍基合金表面热生长一层连续的氧化铬保护膜。
2.根据权利要求1所述的一种促进低铬含量的镍基合金热生长氧化铬保护膜的方法，其特征在于：所述的氧化物为α-Al2O3、α-Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3或V2O3。
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