CN115074652B - 一种高服役寿命的NiAl涂层及其高能束复合表面改性方法 - Google Patents

一种高服役寿命的NiAl涂层及其高能束复合表面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高服役寿命的NiAl涂层及其高能束复合表面改性方法，其方法包括：对NiAl涂层进行激光冲击强化与脉冲电子束复合改性，激光冲击强化在NiAl涂层中植入高幅值残余压应力和高密度位错，可以减小或消除脉冲电子束改性处理后在涂层表面引入的拉应力，改善表面开裂倾向，脉冲电子束抛光、细化和净化NiAl涂层表面形成超细晶结构，进行涂层深度方向以及涂层表面的复合强化，得到由冲击强化涂层+表层重熔保护层构成的涂层结构。本发明提高激光冲击强化后涂层表面质量、调控脉冲电子束改性后的应力状态，以深度范围内植入的压应力增加NiAl涂层热循环寿命，以光滑、致密的重熔保护层促进保护性氧化膜稳定生长，综合使得NiAl涂层具有优秀的高温服役寿命。

Description

一种高服役寿命的NiAl涂层及其高能束复合表面改性方法
技术领域
本发明属于涂层表面改性技术领域，具体涉及一种高服役寿命的NiAl涂层及其高能束复合表面改性方法。
背景技术
热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCs)作为一种常用的高温防护涂层，一般由陶瓷层(TC)与金属粘结层(BC)组成，其中陶瓷层主要起到隔热降温作用，粘结层主要起到抗高温氧化作用。在高温环境下，陶瓷层与粘结层之间会形成一层热生长氧化物(TGO)。由于Al元素的氧化，TGO中形成了连续致密的Al2O3薄膜，可以阻止氧元素以及Ni、Co、Cr等的扩散，从而抑制有害氧化物的形成和生长。但随着热循环的增加，Al元素消耗过大，在TGO/BC界面附近形成“贫铝带”，使Ni、Co等其他基体元素也参与反应，形成疏松的尖晶石类氧化物，在粘结层内部产生较大的生长应力，诱发界面断裂，引起粘结层脱落。
NiAl合金由于各种优点成为粘结层最有潜力的材料，NiAl涂层具有优良的抗高温氧化性能，能在粘结层与基体之间形成金属间化合物，提高粘结层与基体的结合强度，是目前应用最广泛的高温涂层材料。但由于NiAl涂层韧性相对较差，且表面易形成大颗粒，表面粗糙度较大，尤其针对这类脆性涂层而言，粗糙的表面形态会加速氧化膜剥落，抗热循环寿命有限，因此需要研发一种适用NiAl涂层的表面改性方法，以提高高温防护涂层的服役寿命。
激光冲击强化(LSP)技术是一种利用高能激光诱导冲击波压力对金属试件进行表面改性的技术，虽然可以有效地抑制涂层的应力分布和细化晶粒，但是经过激光冲击强化处理后，无法实现涂层表面抛光净化的效果，涂层表面粗糙度难以改善，且冲击后形成的冲击凹坑会在一定程度上增加涂层的表面粗糙度，并且冲击波诱导的残余压应力会诱发大颗粒界面开裂，导致其提前剥落。
脉冲电子束(PEB)技术可以实现涂层表面抛光净化和成分均匀化，并有效实现表层晶粒细化，脉冲电子束技术是提高涂层抗高温氧化性能有效的手段。但NiAl涂层韧性较差，直接利用脉冲电子束辐照处理会引入拉应力，导致涂层表面开裂，形成大量的网状裂纹，反而降低了涂层的服役寿命。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法，采用激光冲击强化与脉冲电子束复合改性得到由冲击强化涂层+表层重熔保护层构成的涂层结构，提高激光冲击强化后涂层表面质量和调控脉冲电子束改性后的应力状态，改善表面开裂倾向并得到抛光、细化且净化的表面结构，有效提高NiAl涂层的服役寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法，其方法包括：
对NiAl涂层进行激光冲击强化与脉冲电子束复合改性，激光冲击强化在NiAl涂层中植入高幅值残余压应力和高密度位错，高幅值残余压应力中和脉冲电子束产生的残余拉应力而改善表面开裂倾向，脉冲电子束抛光、细化和净化NiAl涂层表面形成超细晶结构，进行涂层深度方向以及涂层表面的复合强化，得到由冲击强化涂层+表层重熔保护层构成的涂层结构。
上述高能束复合表面改性方法，进一步地，所述NiAl涂层包括合金元素Hf和/或Y，加入合金元素Hf和/或Y可以提高氧化膜粘附性，提高其化学稳定性。
上述高能束复合表面改性方法，进一步地，采用电弧离子镀工艺在高温合金基体表面形成NiAl涂层，再进行真空退火处理，得到复合改性前组织致密的NiAl涂层。
进一步地，电弧离子镀前对高温合金基体进行打磨，抛光和清洗处理，以保证电弧离子镀后高温合金基体表面的NiAl涂层组织致密。
进一步地，所述电弧离子镀工艺的技术参数设置包括：弧电流为100A，占空比为70％，脉冲偏压-50V；利用物理气相沉积方法即电弧离子镀技术制备的NiAl涂层组织致密，NiAl涂层与基体结合强度高，以保障复合改性性能。
进一步地，所述真空退火处理的技术参数设置包括：退火温度为1050℃，时间为5h；利用真空退火释放NiAl涂层的组织应力、增加材料延展性和韧性，提高NiAl涂层与基体结合强，以保障复合改性性能。
上述高能束复合表面改性方法，进一步地，所述激光冲击强化改性深度大于涂层厚度，激光冲击强化将强激光束产生的等离子冲击波作用于材料表面，并诱导材料表层一定深度范围内产生剧烈的塑性变形，形成高密度位错缠结结构，深度范围内植入的压应力能够增加NiAl涂层热循环寿命，所述脉冲电子束改性深度为5～10μm，使复合改性的NiAl涂层由冲击强化涂层+5～10μm表层重熔保护层构成，表层重熔保护层可以促进保护性氧化膜稳定生长。
上述高能束复合表面改性方法，进一步地，所述激光冲击强化改性处理后NiAl涂层的表面粗糙度为3～5μm，所述脉冲电子束改性处理后NiAl涂层的表面粗糙度为1～3μm，利用高能脉冲电子束实现涂层最表层加热、熔化、冷却并快速凝固等一系列物理化学过程，利用熔化-冷凝机理实现涂层表面抛光、净化及成分均匀化，能够有效消除NiAl涂层表面大颗粒及粗糙度大等制备缺陷，并在NiAl涂层最表层形成超细晶结构。
上述高能束复合表面改性方法，进一步地，所述激光冲击强化在表层植入高幅值残余压应力，激光冲击强化改性处理后NiAl涂层的残余压应力为-300～-600MPa，晶粒细化率达20～30％以上，预先植入的高幅值残余压应力能够有效中和脉冲电子束产生的残余拉应力，减小甚至避免涂层表面开裂的倾向，进而获得光滑、致密的重熔保护层。
上述高能束复合表面改性方法，进一步地，对NiAl涂层先进行激光冲击强化改性处理，深度改性涂层结构，再进行脉冲电子束改性处理抛光、细化且净化表面结构，此复合改性带来的综合效果不仅可以提高激光冲击强化后NiAl涂层表面质量、调控脉冲电子束改性后的应力状态，还可以使晶粒细化并产生高密度位错、孪晶等现象。
进一步地，所述激光冲击改性处理的工艺参数包括：选择Nd:YAG纳秒脉冲激光器，吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为3～8J，光斑直径为3mm，搭接率为25～75％，冲击次数为1～5次；控制工艺参数达到激光冲击强化效果，有效地控制NiAl涂层的应力分布和微观组织，植入高幅值残余压应力和高密度位错。
进一步地，所述脉冲电子束改性处理的工艺参数包括：脉冲时间为1～5μs，能量密度为3～10J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为5～20次；控制工艺参数达到脉冲电子束强化效果，有效实现NiAl涂层表面抛光净化、成分均匀化和表层晶粒细化。
一种高服役寿命的NiAl涂层，所述NiAl涂层根据上述任意一项所述高能束复合表面改性方法制备得到。
上述高服役寿命的NiAl涂层，进一步地，所述NiAl涂层的厚度在40～50μm，NiAl涂层经循环氧化测定：表面可以形成连续致密、抗剥落性的氧化膜，有效改善服役寿命。
上述高服役寿命的NiAl涂层的用途，包括：NiAl涂层用作粘结层，提高粘结层与基体的结合强度；NiAl涂层用作抗高温氧化层。
上述用途，进一步地，所述NiAl涂层与陶瓷层结合用作热障涂层，使陶瓷层与NiAl涂层之间可以形成热生长氧化物，抑制有害氧化物的形成和生长。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)激光冲击强化在NiAl涂层中植入高幅值残余压应力和高密度位错，实现NiAl涂层表层应力强化并深度改性涂层微观结构，细化晶粒，可以减小或消除脉冲电子束改性处理后在NiAl涂层表面引入的拉应力，改善NiAl涂层因脉冲电子束重熔而导致的表层开裂倾向，使深度范围内植入的压应力能够增加NiAl涂层热循环寿命。
(2)脉冲电子束利用熔化-冷凝机理抛光、细化和净化涂层表面，能够有效消除激光冲击强化难以改善的NiAl涂层表面大颗粒及粗糙度大等制备缺陷，并在最表层形成超细晶结构，获得光滑、致密的5～10μm重熔保护层，可以促进保护性氧化膜稳定生长。
综上，采用激光冲击强化与脉冲电子束复合改性得到由冲击强化涂层+表层重熔保护层构成的涂层结构，实现涂层深度方向以及涂层表面的复合强化，不仅可以提高激光冲击强化后涂层表面质量和调控脉冲电子束改性后的应力状态，减少了涂层失效的可能性，而且可以使晶粒细化，并产生高密度位错、孪晶等现象，使脆性的NiAl涂层改性后可以形成连续致密、抗剥落性的氧化膜，最终使得NiAl涂层具有优秀的高温服役寿命。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例1所述NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的实验原理图；
图2为本发明实施例1所述NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的实验流程图；
图3为本发明原始例1、对比例1-2、实施例1所述NiAlHf涂层的扫描电镜图与光镜图像。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
参照图1、图2所示，本发明所述一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的一种较佳实施方式，其方法包括以下步骤：
S1：以金相砂纸对高温合金表面进行打磨，抛光后，用丙酮和酒精进行超声波清洗以去除油污；
S2：采用电弧离子镀工艺在步骤S1的高温合金基体表面形成NiAlHf涂层，NiAlHf涂层的组成成分按质量百分数计为：Ni 49.95％、Al 50％、Hf 0.05％；弧离子镀工艺的技术参数设置包括：弧电流为100A，占空比为70％，脉冲偏压-50V；NiAlHf涂层厚度约为50μm；
S3：对步骤S2的NiAlHf涂层进行真空退火处理，退火温度为1050℃，时间为5h，随炉冷却至室温后，得到经过退火处理后的NiAlHf涂层；
S4：利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对经步骤S3的NiAlHf涂层进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为3J，搭接率为25％，光斑直径为3mm，冲击次数为1次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlHf涂层；
S5：利用脉冲电子束技术对经步骤S4的NiAlHf涂层进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为2.5μs，能量密度为6J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为10次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到具有高服役寿命的NiAlHf涂层。
采用扫描电子显微镜对上述NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，得到图3所示的NiAlHf涂层的电镜形貌图。
经残余应力测试仪检测，激光冲击处理后NiAlHf涂层表面残余压应力约为-325MPa，利用图像分析软件采用面积法计算晶粒尺寸，测得晶粒细化率可以达到20％以上，电子束复合处理后表面残余应力约为126MPa。参照图3所示，上述实施例1所得复合改性电弧离子镀NiAlHf涂层粗糙度约为1.3μm，表面晶粒尺寸得到细化，表面微裂纹很少，涂层表面质量显著提高。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层连续致密的Al2O3氧化膜，氧化膜无剥落现象。
原始例1：采用实施例1的步骤S1-S3，得到经过退火处理后的NiAlHf涂层，作为原始例1；采用扫描电子显微镜对原始例NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，得到图3所示的NiAlHf涂层的电镜形貌图；经检测，上述NiAlHf涂层的粗糙度约为6.2μm。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层Al2O3氧化膜，但是氧化膜厚度不均匀，局部处于出现混合氧化物，且氧化膜局部有少量剥落现象。
对比例1：
一种NiAl涂层的激光冲击强化表面改性方法，其方法包括：
利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对原始例进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为3J，搭接率为25％，光斑直径为3mm，冲击次数为1次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlY涂层；
采用扫描电子显微镜对对比例1所述NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，得到图3所示的NiAlHf涂层的电镜形貌图；经检测，上述NiAlHf涂层的粗糙度从原始例的6.2μm降至4.8μm，粗糙度有所下降，但是粗糙度值仍较大。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层Al2O3氧化膜，但氧化膜表面粗糙度较大，有轻微剥落现象。
由实施例1与对比例1的对比效果可见，激光冲击强化技术将强激光束产生的等离子冲击波作用于材料表面，并诱导材料表层一定深度范围内产生剧烈的塑性变形，形成高密度位错缠结结构，并在表层植入高幅值残余压应力，可以实现NiAl涂层表层应力强化并深度改性涂层微观结构，但是冲击强化无法实现涂层表面抛光净化的效果，涂层的表面粗糙度在冲击波诱导的残余压应力会诱发大颗粒界面开裂，导致氧化膜剥落，涂层的服役寿命较差。
对比例2：
一种NiAl涂层的脉冲电子束表面改性方法，其方法包括：
利用脉冲电子束技术对原始例进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为2.5μs，能量密度为6J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为10次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到脉冲电子束改性处理后的NiAlY涂层。
采用扫描电子显微镜对对比例2所述NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，得到图3所示的NiAlHf涂层的电镜形貌图；经残余应力测试仪检测，脉冲电子束改性处理后NiAlHf涂层表面残余压应力约为320MPa，参照图3所示，伴随较多的微裂纹，粗糙度约为1.8μm。
在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层Al2O3氧化膜，但涂层出现了轻微的内氧化现象，局部有少量剥落。
由实施例1和对比例2的对比效果可见，脉冲电子束可以实现涂层表面抛光净化和成分均匀化，并可以实现表层晶粒细化，但NiAl涂层韧性较差，直接利用脉冲电子束辐照处理会导致涂层表面开裂，形成大量的网状裂纹，在脉冲电子束改性之前对涂层进行激光冲击强化技术改性处理，对微裂纹有闭合作用，且涂层表面质量显著提高。
实施例2：
参照图1、图2所示，本发明所述一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的一种较佳实施方式，其方法包括以下步骤：
S1：以金相砂纸对高温合金表面进行打磨，抛光后，用丙酮和酒精进行超声波清洗以去除油污；
S2：采用电弧离子镀工艺在步骤S1的高温合金基体表面形成NiAlHf涂层，NiAlHf涂层的组成成分按质量百分数计为：Ni 39.95％、Al 40％、Hf0.05％；弧离子镀工艺的技术参数设置包括：弧电流为100A，占空比为70％，脉冲偏压-50V；NiAlHf涂层厚度约为50μm；
S3：对步骤S2的NiAlHf涂层进行真空退火处理，退火温度为1050℃，时间为5h，随炉冷却至室温后，得到经过退火处理后的NiAlHf涂层；
S4：利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对经步骤S3的NiAlHf涂层进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为5J，搭接率为45％，光斑直径为3mm，冲击次数为3次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlHf涂层；
S5：利用脉冲电子束技术对经步骤S4的NiAlHf涂层进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为3.5μs，能量密度为8J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为5次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到具有高服役寿命的NiAlHf涂层。
经残余应力测试仪检测，激光冲击处理后NiAlHf涂层表面残余压应力约为-466MPa，晶粒细化率可以达到20％以上，电子束复合处理后表面残余应力约为88MPa。上述实施例2所得复合改性电弧离子镀NiAlHf涂层粗糙度约为1.1μm，表面晶粒尺寸得到细化，表面微裂纹数量略有增加，涂层表面质量显著提高。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层连续致密的Al2O3氧化膜，氧化膜无剥落现象。
实施例3：
参照图1、图2所示，本发明所述一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的一种较佳实施方式，其方法包括以下步骤：
S1：以金相砂纸对高温合金表面进行打磨，抛光后，用丙酮和酒精进行超声波清洗以去除油污；
S2：采用电弧离子镀工艺在步骤S1的高温合金基体表面形成NiAlHf涂层，NiAlHf涂层的组成成分按质量百分数计为：Ni 39.95％、Al 40％、Hf 0.05％；弧离子镀工艺的技术参数设置包括：弧电流为100A，占空比为70％，脉冲偏压-50V；NiAlHf涂层厚度约为50μm；
S3：对步骤S2的NiAlHf涂层进行真空退火处理，退火温度为1050℃，时间为5h，随炉冷却至室温后，得到经过退火处理后的NiAlHf涂层；
S4：利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对经步骤S3的NiAlHf涂层进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为8J，搭接率为65％，光斑直径为3mm，冲击次数为5次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlHf涂层；
S5：利用脉冲电子束技术对经步骤S4的NiAlHf涂层进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为4.5μs，能量密度为10J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为20次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到具有高服役寿命的NiAlHf涂层。
经残余应力测试仪检测，激光冲击处理后NiAlHf涂层表面残余压应力约为-512MPa，晶粒细化率可以达到20％以上，电子束复合处理后表面残余应力约为78MPa。上述实施例3所得复合改性电弧离子镀NiAlHf涂层粗糙度约为1.6μm，表面晶粒尺寸得到细化，表面微裂纹数量明显增加，涂层表面质量显著提高。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层连续致密的Al2O3氧化膜，氧化膜局部有少量剥落现象。脉冲电子束次数控制过多，会导致涂层表面产生热损伤，一般建议次数控制在20次以下。
原始例2：采用实施例3的步骤S1-S3，得到经过退火处理后的NiAlHf涂层，作为原始例2；采用扫描电子显微镜对原始例NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，涂层表面较为粗糙，存在较多大颗粒；经检测，上述NiAlHf涂层的粗糙度约为5.8μm；在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层Al2O3氧化膜，但是氧化膜厚度不均匀，局部处于出现混合氧化物，且氧化膜局部有少量剥落现象。
对比例3：
一种NiAl涂层的激光冲击强化表面改性方法，其方法包括：
利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对原始例进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为3J，搭接率为25％，光斑直径为3mm，冲击次数为3次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlHf涂层；
采用扫描电子显微镜对比例3所述NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，涂层表面大颗粒减少，经检测，上述NiAlHf涂层的粗糙度从原始例的5.8μm降至4.1μm，粗糙度有所下降，但是粗糙度值仍较大。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层Al2O3氧化膜，但氧化膜表面粗糙度较大，有轻微剥落现象。
对比例4：
一种NiAl涂层的脉冲电子束表面改性方法，其方法包括：
利用脉冲电子束技术对原始例进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为2.5μs，能量密度为6J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为10次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到脉冲电子束改性处理后的NiAlHf涂层。
采用扫描电子显微镜对对比例4所述NiAlHf涂层的表面形貌进行观察，涂层表面明显被抛光；经残余应力测试仪检测，脉冲电子束改性处理后NiAlHf涂层表面残余压应力约为226MPa，并伴随少量的微裂纹，粗糙度约为1.6μm。
在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层Al2O3氧化膜，但涂层出现了轻微的内氧化现象。由实施例3和对比例4的对比效果可见，在脉冲电子束改性之前对涂层进行激光冲击强化技术改性处理，对微裂纹有闭合作用，且涂层表面质量显著提高。
实施例4：
参照图1、图2所示，本发明所述一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的一种较佳实施方式，其方法包括以下步骤：
S1：以金相砂纸对高温合金表面进行打磨，抛光后，用丙酮和酒精进行超声波清洗以去除油污；
S2：采用电弧离子镀工艺在步骤S1的高温合金基体表面形成NiAlHf涂层，NiAlHf涂层的组成成分按质量百分数计为：Ni 64.95％、Al 35％、Hf 0.05％；弧离子镀工艺的技术参数设置包括：弧电流为100A，占空比为70％，脉冲偏压-50V；NiAlHf涂层厚度约为50μm；
S3：对步骤S2的NiAlHf涂层进行真空退火处理，退火温度为1050℃，时间为5h，随炉冷却至室温后，得到经过退火处理后的NiAlHf涂层；
S4：利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对经步骤S3的NiAlHf涂层进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为3J，搭接率为25％，光斑直径为3mm，冲击次数为3次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlHf涂层；
S5：利用脉冲电子束技术对经步骤S4的NiAlHf涂层进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为2.5μs，能量密度为6J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为10次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到具有高服役寿命的NiAlHf涂层。
采用扫描电子显微镜对上述NiAlHf涂层的表面形貌进行观察图。
经残余应力测试仪检测，激光冲击处理后NiAlHf涂层表面残余压应力约为-366MPa，晶粒细化率可以达到20％以上，电子束复合处理后表面残余应力约为112MPa。上述实施例4所得复合改性电弧离子镀NiAlHf涂层粗糙度约为1.3μm，表面晶粒尺寸得到明显细化，表面微裂纹很少，涂层表面质量显著提高。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlHf涂层表面可以形成一层连续致密Al2O3，氧化膜无剥落现象。
实施例5：
参照图1、图2所示，本发明所述一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法的一种较佳实施方式，其方法包括以下步骤：
S1：以金相砂纸对高温合金表面进行打磨，抛光后，用丙酮和酒精进行超声波清洗以去除油污；
S2：采用电弧离子镀工艺在步骤S1的高温合金基体表面形成NiAlY涂层，NiAlY涂层的组成成分按质量百分数计为：Ni 74.9％、Al 25％、Y 0.1％；弧离子镀工艺的技术参数设置包括：弧电流为100A，占空比为70％，脉冲偏压-50V；NiAlY涂层厚度约为50μm；
S3：对步骤S2的NiAlY涂层进行真空退火处理，退火温度为1050℃，时间为5h，随炉冷却至室温后，得到经过退火处理后的NiAlY涂层；
S4：利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对经步骤S3的NiAlY涂层进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为8J，搭接率为55％，光斑直径为3mm，冲击次数为3次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlY涂层；
S5：利用脉冲电子束技术对经步骤S4的NiAlY涂层进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为2.5μs，能量密度为6J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为10次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到具有高服役寿命的NiAlY涂层。
采用扫描电子显微镜对上述NiAlY涂层的表面形貌进行观察，该涂层表面较为光滑，几乎无裂纹产生。
经残余应力测试仪检测，激光冲击处理后NiAlY涂层表面残余压应力约为-418MPa，晶粒细化率可以达到30％以上，电子束复合处理后表面残余应力约为92MPa。上述实施例5所得复合改性电弧离子镀NiAlY涂层粗糙度约为1.3μm，表面晶粒尺寸得到明显细化，表面微裂纹很少，涂层表面质量显著提高。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlY涂层表面可以形成一层连续致密的双层氧化膜(混合氧化物和Al2O3)，氧化膜无剥落现象。
原始例3：采用实施例5的步骤S1-S3，得到经过退火处理后的NiAlY涂层，作为原始例3；采用扫描电子显微镜对原始例NiAlY涂层的表面形貌进行观察，得到的NiAlY涂层表面较为粗糙；经检测，上述NiAlY涂层的粗糙度约为5.6μm；在1200℃下循环氧化100h后，NiAlY涂层氧化膜形成双层结构，表层混合氧化物层厚度较厚，局部区域出现明显的剥落，剥落面积较大。
对比例5：
一种NiAl涂层的激光冲击强化表面改性方法，其方法包括：
利用Nd:YAG纳秒脉冲激光器对原始例进行激光冲击强化改性处理，激光冲击改性处理的工艺参数包括：吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为8J，搭接率为55％，光斑直径为3mm，冲击次数为3次，激光冲击强化改性深度大于50μm，得到经过激光冲击改性处理后的NiAlY涂层；
采用扫描电子显微镜对对比例5所述NiAlY涂层的表面形貌进行观察，涂层表面较为粗糙，存在少量大颗粒；经检测，上述NiAlY涂层的粗糙度从原始例3的5.6μm降至4.0μm，粗糙度有所下降，但是粗糙度值仍较大。在1200℃下循环氧化100h后，NiAlY涂层表面可以形成一层双层氧化膜，表层混合氧化层厚度较大，由于氧化膜表面粗糙度较大，有轻微剥落现象。
对比例6：
一种NiAl涂层的脉冲电子束表面改性方法，其方法包括：
利用脉冲电子束技术对原始例进行脉冲电子束改性处理，脉冲电子束改性处理的参数设置包括：脉冲时间为2.5μs，能量密度为6J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为10次，脉冲电子束改性深度为5～10μm，得到脉冲电子束改性处理后的NiAlY涂层。
采用扫描电子显微镜对对比例6所述NiAlY涂层的表面形貌进行观察，NiAlY涂层表面明显被抛光，但表层存在少量裂纹；经残余应力测试仪检测，脉冲电子束改性处理后NiAlY涂层表面残余压应力约为216MPa，粗糙度约为1.4μm。
在1200℃下循环氧化100h后，NiAlY涂层表面可以形成连续的双层氧化膜，氧化膜无剥落，但出现了轻微的内氧化现象。由实施例5和对比例6的对比效果可见，在脉冲电子束改性之前对涂层进行激光冲击强化技术改性处理，对微裂纹有闭合作用，且涂层表面质量显著提高。
综上，对电弧离子镀制备的NiAl涂层进行激光冲击强化改性处理后，再进行脉冲电子束改性处理；激光冲击强化处理可以在NiAl涂层中植入高幅值残余压应力和高密度位错，深度改性涂层结构，并可以减小或消除脉冲电子束改性处理后在NiAl涂层表面引入的拉应力，减小NiAl涂层因脉冲电子束重熔而导致的表层开裂问题，并得到抛光、细化且净化的表面结构，通过复合强化处理可以实现涂层深度方向以及涂层表面的复合强化，得到由冲击强化涂层+表层重熔保护层构成的涂层结构，表面熔化层可以促进保护性氧化膜稳定生长，而深度范围内植入的压应力能够增加涂层热循环寿命，最终使得涂层具有优秀的高温寿命。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法，其特征在于，其方法包括：
采用电弧离子镀工艺在高温合金基体表面形成NiAl涂层，再进行真空退火处理，得到复合改性前组织致密的NiAl涂层；
对NiAl涂层先进行激光冲击强化改性处理，再进行脉冲电子束改性处理复合改性，激光冲击强化在NiAl涂层中植入高幅值残余压应力和高密度位错，高幅值残余压应力中和脉冲电子束产生的残余拉应力而改善表面开裂倾向，脉冲电子束抛光、细化和净化NiAl涂层表面形成超细晶结构，进行涂层深度方向以及涂层表面的复合强化，得到由冲击强化涂层+表层重熔保护层构成的涂层结构；
所述NiAl涂层为NiAlHf涂层或NiAlY涂层；
所述NiAl涂层的厚度在40~50μm；
所述激光冲击强化改性深度大于涂层厚度，所述脉冲电子束改性深度为5~10μm；
所述激光冲击改性处理的工艺参数包括：选择Nd:YAG纳秒脉冲激光器，吸收层为铝箔，约束层为水，激光能量为3~8J，光斑直径为3mm，搭接率为25~75%，冲击次数为1~5次；
所述脉冲电子束改性处理的工艺参数包括：脉冲时间为1~5μs，能量密度为3~10J/cm2，真空度为5.0×10-3Pa，轰击次数为5~20次。
2.根据权利要求1所述的一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法，其特征在于，所述激光冲击强化改性处理后NiAl涂层的表面粗糙度为3~5μm，所述脉冲电子束改性处理后NiAl涂层的表面粗糙度为1~3μm。
3.根据权利要求1所述的一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法，其特征在于，所述激光冲击强化改性处理后NiAl涂层的残余压应力为-300~-600MPa，晶粒细化率为20%以上。
4.根据权利要求3所述的一种NiAl涂层的高能束复合表面改性方法，其特征在于，所述激光冲击强化改性处理后NiAl涂层晶粒细化率为30%以上。
5.一种高服役寿命的NiAl涂层，其特征在于，所述NiAl涂层根据权利要求1~4任意一项所述高能束复合表面改性方法制备得到。
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