CN113234962A

CN113234962A - 一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN113234962A
Application number: CN202110517391.4A
Authority: CN
Inventors: 彭文屹; 赵文超; 周杰; 危翔; 邓晓华; 刘宗佩; 史雄涛; 于思琪; 孙祖祥; 余钦洋; 余飞翔; 高安澜
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2021-08-10

Abstract

本发明提供了一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层及其制备方法，属于镍基高温合金涂层技术领域。利用等离子熔覆技术在H13钢表面制备镍基高温合金涂层与其改性涂层，改性涂层元素成分包括：51.22wt.％的Ni、18.15wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％的Al、0.6wt.％的Co、0‑5wt.％的Si，余量为Fe。通过显微硬度计，氧化实验检测两种涂层性能。结果表明Si改性镍基高温合金涂层具有优于未改性涂层的显微硬度，1000℃以上的优良抗氧化性；Si改性高温合金涂层在1000℃及以上时氧化层为双层氧化层，具有良好的保护性能。

Description

一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于镍基高温合金涂层技术领域，具体涉及一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层及其制备方法。

背景技术

科学技术的进步需要材料更多的在极端工作环境中服役，即材料更多地涉及到高温、高磨损以及具有腐蚀性的工作环境，因此对材料性能提出了更高的要求。Inconel 718合金简称IN 718(国内牌号：GH4169)为含有铌、钼的沉淀硬化型镍铁合金，在650℃的工作温度下具有高强度、良好的韧性、优秀的耐蚀性和机械性能，是目前航空航天、石油化工等领域应用最为广泛的高温合金材料。IN 718镍基高温合金在高温环境下生成的氧化层一般为Cr₂O₃以及尖晶石，尖晶石相为氧元素的传输提供通道，因此一般认为在IN 718合金的氧化层中只有Cr₂O₃氧化层具有保护性。由于Cr₂O₃氧化层在1000℃以上容易生成CrO₃易挥发且在1000℃以上粘性较差，而IN 718合金在1000℃以上的使用环境中只能生成Cr₂O₃氧化层，因此导致在1000℃及以上抗氧化性能不佳。在氧化领域，目前普遍承认具有优良抗氧化性的材料应在高温环境中迅速生成具有保护性质的抗氧化层。有研究人员使用大量稀土及相对较昂贵的金属材料，高抗氧化性伴随的高成本显然并不是容易被接受的。高性能的合金因而无法大规模使用，所以考虑在廉价材料表面制备高性能的涂层以及修复相关零部件具有极大的实际应用意义。

发明内容

等离子熔覆技术由于其易于大量推广等特点得以作为常见的涂层制备手段。其相关原理为使用等离子转移弧做为主要热源，粉末由于氩气的流动而带出，等离子弧具有的高能量能够迅速使粉末熔融，在氩气的带动下，熔融金属粉末液滴在工件表面碰撞。随着等离子弧的离开，熔融金属快速冷却凝固形成涂层。本发明提出一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，通过等离子熔覆技术在H13钢表面制备镍基涂层，观察涂层组织和微观结构，分析物相组成，测试其抗高温氧化性能，研究Si和等离子熔覆工艺参数对涂层组织及性能的影响。

本发明需要解决的第一个技术问题为：提高镍基高温合金涂层的使用温度和抗氧化性能，同时降低材料成本，为此设计一种具备出众抗氧化性能的Si改性IN 718镍基高温合金涂层成分。

一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，该涂层元素成分包括：51.22wt.％的Ni、18.15wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％的Al、0.6wt.％的Co、0-5wt.％的Si，余量为Fe。

进一步地，所述涂层元素成分包括：51.22wt.％的Ni、18.15wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％的Al、0.6wt.％的Co、2wt.％的Si，余量为Fe。

本发明需要解决的第二个技术问题为：在保证涂层质量，避免涂层出现裂纹、明显的气孔等缺陷的同时在基体表面能够制备大面积的涂层，因此通过具体实验提出一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层的具体工艺参数。

一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层的制备方法，所述制备方法为等离子熔覆技术：

进一步地，作为本发明在实验过程中的最优方案，为了保证能够在基体表面制备大面积的涂层，因此实验采取多道熔覆，熔覆焊道之间彼此搭接形成小平面，具体的等离子熔覆工艺参数为：离子气体流量为1.5-2L/min，保护气体流量为15L/min，熔覆电流为100-120A，熔覆行走速度为3-5mm/s，送粉气体流量为2L/min，递进距离3-5mm。

进一步地，所述等离子熔覆技术使用的设备为等离子弧粉末堆焊机，型号为DML-03AD。

进一步地，所述等离子熔覆技术包括以下工艺：工件表面清洗→粉末混合烘干→开主机→开氩气→开冷却水→粉末入送粉器→设置参数→焊枪与工件坐标设置→程序复位→开启引弧→起弧→熔覆结束。

作为本发明在实验过程中的最优方案，合理的Si的引入对于镍基合金的抗高温氧化性能是有利的，Si元素有利促进Cr₂O₃的形成，并在金属与Cr₂O₃之间生成一层SiO₂夹层，吸收空位，防止界面产生空洞，阻碍O离子的传输进而提高涂层的抗氧化性能。此外Si会抑制β相，促进γ＇相的生长，富Si的γ＇相抗热腐蚀能力随Si含量的增加而大幅提高。然而考虑到Si的合金化会提高大多数合金的脆性，Si的含量不应过高，因此将Si的含量确定为0-5wt.％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过等离子熔覆技术在基体表面制备大面积的镍基高温合金涂层，试验后最优的工艺参数在基体表面采用多道搭接熔覆，使多条焊道彼此搭接形成小平面。合理含量的Si元素的添加对镍基高温合金涂层进行改性，有效的促进了γ＇相和硬质相的析出，改善了涂层的微观组织，添加Si元素改性后的涂层中等轴晶的含量更高，由于更多γ＇相的析出以及硬质相的生成，能有效提升涂层的硬度。Si改性镍基高温合金涂层在900℃及以下的抗高温氧化性能与未改性涂层无明显差别，但在1000℃及以上，Si改性镍基高温合金涂层生成了双层氧化层，最外层为Cr₂O₃，内层为SiO₂，由于SiO₂的生成阻止了氧原子的进一步扩散，在1000℃及以上表现出优于IN 718涂层的抗高温氧化性能。1000℃的等温氧化的氧化动力曲线表明，氧化过程分为快速氧化及稳定氧化两个阶段。氧化增重大多在快速氧化阶段完成，Si改性镍基高温合金涂层的两个阶段的氧化速率均低于未改性涂层。因此本发明的抗高温氧化的Si改性镍基高温合金涂层成分及其修复制备方法，具有更好的高温抗氧化性、并且易于制备、硬度更高，具有广阔的运用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的2％Si改性镍基高温合金涂层与基体结合部位的截面SEM图。

图2是本发明实施例1制备的2％Si改性镍基高温合金涂层和未改性高温合金涂层的截面显微硬度曲线。

图3是镍基高温合金涂层1000℃等温氧化增重及氧化增重平方与时间关系图。

图4是本发明实施例1制备的2％Si改性镍基高温合金涂层1000℃等温氧化增重及氧化增重平方与时间关系图。

图5是本发明实施例1制备的2％Si改性镍基高温合金涂层各个时间段的氧化表面的XRD。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行更进一步描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，成分如表1所示(重量百分比，wt.％)。

表1：合金粉末成分(wt.％)

为避免粉末中可能含有的水分影响涂层质量，因此将混合均匀的粉末放入真空干燥箱进行烘干，温度为110℃，时间120min后待用。等离子熔覆过程中，送粉方式为同步送粉。熔覆工艺参数为：离子气体流量为1.5L/min，保护气体流量为15L/min，熔覆电流为100A，熔覆行走速度为3mm/s，送粉气体流量为2L/min，递进距离3mm，制得涂层面积40mm×30mm。本实验使用的设备为等离子弧粉末堆焊机，型号为DML-03AD。

涂层制备：工件表面清洗→粉末混合烘干→开主机→开氩气→开冷却水→粉末入送粉器→设置参数(包括熔覆工艺参数、机器手行走、摆幅等参数)→焊枪与工件坐标(起始点)设置→程序复位→开启引弧→起弧→熔覆结束。通过以上制备流程，制备2wt.％Si改性镍基高温合金涂层以及用来对比的镍基高温合金涂层。

在涂层区域，使用电火花切割取出带有基体的样品，制备金相，分析XRD、SEM、EDS检测。图1是涂层与基体结合部位的截面SEM图，可以看到涂层没有裂纹和明显孔洞，这说明涂层制备工艺和参数可行。通过显微硬度计测试样品截面硬度，载荷使用100g，保载15s，为避免误差，每个位置的硬度取三次。结果显示Si改性镍基高温合金涂层平均硬度为276.4HV，相较于镍基高温合金涂层提高了7.7％(图2)。

用电火花线切割将涂层从基体上剥离，切成10×10×3mm大小的样品用以进行高温氧化实验。将无基体的纯涂层样品6个表面用砂纸打磨至2000目后，用酒精在超声波机器中清洗1min，用吹风机吹干，坩埚在使用前按照标准处理，使用游标卡尺记录每个涂层样品的尺寸，使用电子分析天平记录土层样品质量以及涂层带坩埚质量。按上述操作处理后，将涂层及坩埚置于高温炉中分别进行800℃，900℃，1000℃，1100℃高温循环氧化实验，每隔10h取出称重后放回高温炉进行下一次氧化，氧化增重结果按照标准处理。根据循环氧化实验结果，制备好的Si改性镍基高温合金涂层800～1100℃、100h后的循环氧化增重质量以及平均氧化速率如表2所示。

表2：800～1100℃、100h后循环氧化增重以及平均氧化速率

用线切割将涂层从基体上剥离，切成5×5×3mm大小的样品观察涂层的氧化过程，将每种成分的涂层准备10个小样，用砂纸将样品6个表面打磨至2000目，用游标卡尺测量样品尺寸，按上述操作清理样品表面，处理坩埚，对样品以及带涂层坩埚称重，记录后开始进行等温氧化实验，由于氧化增重大多在前25h内完成，因此前25h小时内每隔5h取出一个样称重，样品不放回，然后在25～55h内每隔10h小时取出称重一次，最后在75h、100h取出样品，称重并记录。图3为镍基高温合金+Si涂层在1000℃静态空气中氧化100h后的氧化增重曲线，在100h后氧化增重约为0.70913mg·cm^-2。根据1000℃等温实验结果，可以看出镍基高温合金+Si涂层遵循抛物线规律(图4)。可以看到氧化增重在20h小时内基本已经完成，氧化增重可分为三段，快速氧化阶段的氧化速率k_p1为1.613×10^-3mg²·cm^-4·h^-1，稳定氧化阶段Ⅰ的氧化速率k_p2为3.497×10^-5mg²·cm^-4·h^-1，稳定氧化阶段Ⅱ的氧化速率k_p3为2.45×10^- ⁵mg²·cm^-4·h^-1。可以看到镍基高温合金+Si涂层的k_p值在逐渐减小，意味着氧化速度越来越慢，氧化层趋近于稳定。其氧化速率低于同等阶段镍基高温合金涂层的氧化速率。证明Si元素含量的增加可以提高涂层的抗高温氧化性能，可能是因为SiO₂的形成填补了Cr₂O₃氧化层中的空洞，减少了氧元素的扩散通道。

以上所描述的实施例仅为本发明优选实施例，并不用于限制本发明。对本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，其特征在于，该涂层元素成分包括：51.22wt.％的Ni、18.15wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％的Al、0.6wt.％的Co、0-5wt.％的Si，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述涂层元素成分包括：51.22wt.％的Ni、18.15wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％的Al、0.6wt.％的Co、2wt.％的Si，余量为Fe。

3.制备如权利要求1或2所述一种可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述涂层的制备方法为等离子熔覆技术。

4.根据权利要求3所述等离子熔覆技术制备可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述等离子熔覆技术工艺参数为：离子气体流量为1.5-2L/min，保护气体流量为15L/min，熔覆电流为100-120A，熔覆行走速度为3-5mm/s，送粉气体流量为2L/min，递进距离3-5mm。

5.根据权利要求4所述等离子熔覆技术制备可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述等离子熔覆技术使用的设备为等离子弧粉末堆焊机，型号为DML-03AD。

6.根据权利要求4所述等离子熔覆技术制备可用于修复表面的等离子熔覆改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述等离子熔覆技术包括以下工艺：工件表面清洗→粉末混合烘干→开主机→开氩气→开冷却水→粉末入送粉器→设置参数→焊枪与工件坐标设置→程序复位→开启引弧→起弧→熔覆结束。