CN115125592B - 一种Pt改性铝化物涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Pt改性铝化物涂层及其制备方法与应用。所述制备方法包括：采用电镀技术，在基体表面沉积形成Pt层，之后于1000～1100℃进行第一退火处理2～5h；以及，采用磁控溅射技术，在第一退火处理所获基体的表面沉积Al层，并于800～900℃进行第二退火处理3～6h；制得Pt改性铝化物涂层；其中，所述Pt改性铝化物涂层包括依次形成于基体表面的内层及外层。本发明采用电镀、磁控溅射和真空高温退火相结合的方法制备的Pt改性铝化物涂层在900℃的高温下表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，适用于在海洋环境或高温环境下的防护，同时其制备工艺简单可控，应用前景广泛。

Description

一种Pt改性铝化物涂层及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种Pt改性铝化物涂层及其制备方法与应用。

背景技术

航空发动机主要由进气口、压气机、燃烧室、涡轮和排气口几部分组成。镍基高温合金因其具有优良的高温力学性能和抗高温氧化性能，而广泛应用于航空发动机以及燃气轮机的涡轮叶片。热带海洋环境极端苛刻，高湿、高温、高盐的环境导致在长期服役过程中，航空发动机以及燃气轮机的涡轮叶片存在严重的腐蚀问题。为了延长航空发动机的服役寿命，通常在部件表面沉积一层高温防护涂层。

传统的高温防护涂层为铝化物涂层和MCrAlY涂层。铝化物涂层的制备工艺简单，可单独用作抗氧化涂层，也可以作为金属粘结层。但是涂层中的Al会向基体扩散，氧化膜会发生剥落，涂层的抗热腐蚀性能变差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种Pt改性铝化物涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种Pt改性铝化物涂层的制备方法，其包括：

采用电镀技术，在基体表面沉积形成Pt层，之后于1000～1100℃进行第一退火处理2～5h；

以及，采用磁控溅射技术，在第一退火处理所获基体的表面沉积Al层，并于600～900℃进行第二退火处理3～6h；制得Pt改性铝化物涂层；

其中，所述Pt改性铝化物涂层包括依次形成于基体表面的内层及外层，所述内层为难熔金属元素互扩散层，所述外层为β-(Ni，Pt)Al相层。

本发明实施例还提供了前述的制备方法制得的Pt改性铝化物涂层，所述Pt改性铝化物涂层包括形成于基体表面的难熔金属元素互扩散层及β-(Ni，Pt)Al相层。

本发明实施例还提供了前述的Pt改性铝化物涂层于海洋环境或高温苛刻条件下的工件表面防护中的用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明制备的Pt改性铝化物涂层具有优异的抗高温氧化和耐热腐蚀性能，适用于海洋环境和高温苛刻条件下的工件防护，能有效提高航空发动机以及燃气轮机的涡轮叶片的使用寿命；通过磁控溅射沉积的涂层具有均匀的元素分布，并且无大颗粒沉积现象；同时其制备工艺简单可控，应用前景广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例1中Pt电镀层真空退火后的截面形貌图；

图2是本发明实施例1中在Pt电镀层真空退火后表面沉积纯Al涂层的截面形貌图；

图3是本发明实施例1中800℃下对纯Al层热处理获得的Pt改性铝化物涂层的截面形貌图；

图4是本发明实施例2中850℃下对纯Al层热处理获得的Pt改性铝化物涂层的截面形貌图；

图5是本发明实施例3中900℃下对纯Al层热处理获得的Pt改性铝化物涂层的截面形貌图；

图6是本发明实施例3中900℃下对纯Al层热处理获得的Pt改性铝化物涂层在75％Na₂SO₄+25％NaCl混合盐中腐蚀168h后的表面形貌图；

图7是本发明对比例1中800℃下对纯Al层热处理获得的简单铝化物涂层的截面形貌图；

图8是本发明对比例2中850℃下对纯Al层热处理获得的简单铝化物涂层的截面形貌图；

图9是本发明对比例3中900℃下对纯Al层热处理获得的简单铝化物涂层的截面形貌图；

图10是本发明对比例3中在900℃下对纯Al层热处理获得的简单铝化物涂层在75％Na₂SO₄+25％NaCl混合盐中腐蚀168h后的表面形貌图。

具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体的，作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的一种Pt改性铝化物涂层的制备方法包括：

采用电镀技术，在基体表面沉积形成Pt层，之后于1000～1100℃进行第一退火处理2～5h；

以及，采用磁控溅射技术，在第一退火处理所获基体的表面沉积Al层，并于800～900℃进行第二退火处理3～6h；制得Pt改性铝化物涂层；

其中，所述Pt改性铝化物涂层包括依次形成于基体表面的内层及外层，所述内层为难熔金属元素互扩散层(IDZ)，所述外层为β-(Ni，Pt)Al相层。

在一些优选实施方案中，所述制备方法包括：将沉积有Pt层的基体置于真空装置中，并于真空度≤5×10^-3Pa的保护性气氛中进行第一退火处理。

具体地，所述第一退火处理包括：将沉积有Pt层的基体置于真空度≤5×10^-3Pa真空管式炉的均温区，升温速率小于10℃/min，在保护气氛中于1000～1100℃保温2～5h。

进一步地，所述保护气氛为惰性气体氩气。

在一些优选实施方案中，所述制备方法包括：采用磁控溅射技术，以Al靶为靶材，以惰性气体为工作气体，在第一退火处理所获基体的表面沉积Al层，其中，腔体真空度≤5×10^-3Pa， Al靶的靶电流为2～4A，基体负偏压为300～500A，惰性气体的气流量为30～40sccm，沉积温度为室温，沉积时间为150～240min。

进一步地，本发明中的磁控溅射技术具有积速率高且沉积涂层致密的优点。

进一步地，所述Al靶中Al的含量≥99.99wt.％。

在一些优选实施方案中，所述制备方法包括：将沉积有Al层的基体置于真空装置中，并于真空度≤5×10^-3Pa的保护性气氛中进行第二退火处理；其中，通过调节第二退火时间和温度来影响互扩散区的形成情况

具体地，所述第二退火处理包括：将沉积有Al层的基体置于真空管式炉的均温区，真空度≤5×10^-3Pa，保护气体为氩气，升温速率小于10℃/min，在800～900℃的温度下保温为2～ 6h。

在一些优选实施方案中，所述基体的材质为镍基高温合金，例如718镍基高温合金钢。

在一些优选实施方案中，所述难熔金属元素互扩散层中的金属元素包括Cr、Mo、Nb、 Fe中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步地，所述难熔金属元素互扩散层中的金属元素来自于基体，元素的严重相互扩散会降低涂层的性能。

在一些优选实施方案中，所述Pt改性铝化物涂层的厚度为23～33μm。

进一步地，所述内层(难熔金属元素互扩散层)的厚度为3～5μm。

进一步地，所述外层(β-(Ni，Pt)Al相层)的厚度为18～28μm。

在一些优选实施方案中，所述制备方法还包括：在基体表面沉积形成Pt层之前，先对基体进行打磨、喷砂、清洗、除油和表面活化处理。

在一些优选实施方案中，所述制备方法还包括：对第一退火处理所获基体进行活化处理。

进一步地，所述活化处理包括：将第一退火处理所获基体置于真空腔体内，通入氩气，对基体施加600～800V的负偏压，引导氩离子对基体表面进行轰击活化。

本发明实施例的另一个方面还提供了前述的制备方法制得的Pt改性铝化物涂层，所述Pt 改性铝化物涂层包括形成于基体表面的难熔金属元素互扩散层及β-(Ni，Pt)Al相层。

本发明提供的Pt改性铝化物涂层在900℃的高温下表现出优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，适用于在海洋环境或高温环境下的防护，同时其制备工艺简单可控，应用前景广泛。

本发明实施例的另一个方面还提供了前述的Pt改性铝化物涂层于海洋环境或高温苛刻条件下的工件表面防护中的用途。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。

实施例1

本实施例中Pt改性铝化物涂层的厚度约为23μm，外层的β-(Ni，Pt)Al相层的厚度约为18 μm，内层的互扩散层的厚度约为5μm。该Pt改性铝化物涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对基体表面进行打磨，将基体原始的表面打磨掉之后进行喷砂处理。然后对基体进行清洗、除油、表面活化。利用乙醇、丙酮等溶剂对718镍基高温合金进行超声清洗、除油清洗。然后进行电镀Pt，得到纯Pt层。

(2)将电镀后得到的纯Pt层在真空退火炉中退火，以稀释表面的Pt浓度。退火过程中的真空度低于5×10^-3Pa，升温速率小于10℃/min；退火温度为1030℃，保温时间为2h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图1所示。从截面形貌可以看出，Pt完全扩散开，掺入到高温合金中。

(3)在经热处理处理后的样品上使用磁控溅射技术沉积纯Al层。沉积之前，先对基体表面进行清洗和活化处理。所述活化处理包括：将基体置于真空的镀膜设备里，通入惰性气体，对基体施加800V的负偏压，引导氩离子对工件表面进行轰击活化，每次刻蚀时间为30min。

(4)对预处理完的样品采用磁控溅射技术沉积纯Al层。沉积纯Al层的靶材为Al靶，纯度为99.99wt.％。施加于纯Al靶的靶电流为3A，负偏压为400A，惰性气体氩气的气流量为30sccm，腔体真空度≤5×10^-3Pa，常温，沉积时间为150min。

(5)沉积结束后，冷却至室温，即可获纯铝涂层，如图2所示，沉积的纯Al层致密且连续，与基体有很好的结合。

(6)将沉积了纯Al涂层的样品放置于真空管式炉中，对样品进行真空热处理。退火过程中的真空度低于5×10^-3Pa，升温速率小于10℃/min；退火温度为800℃，保温时间为6h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图3所示。从截面形貌可以看出，形成了外层为β-(Ni，Pt)Al 相，内层为互扩散层的Pt改性铝化物涂层。

实施例2

本实施例中Pt改性铝化物涂层的厚度约为26μm，外层的β-(Ni，Pt)Al相层的厚度约为21 μm，内层的互扩散层的厚度约为5μm。该Pt改性铝化物涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对基体表面进行打磨，将基体原始的表面打磨掉之后进行喷砂处理。然后对基体进行清洗、除油、表面活化。利用乙醇、丙酮等溶剂对718镍基高温合金进行超声清洗、除油清洗。然后进行电镀Pt，得到纯Pt层。

(2)将电镀后得到的纯Pt层在真空退火炉中退火，以稀释表面的Pt浓度。退火过程中的真空度低于5×10^-3Pa，升温速率小于10℃/min；退火温度为1030℃，保温时间为2h，随炉冷却到室温。

(3)在经热处理处理后的样品上使用磁控溅射技术沉积纯Al层。沉积之前，先对基体表面进行清洗和活化处理。所述活化处理包括：将基体置于真空的镀膜设备里，通入惰性气体，对基体施加800V的负偏压，引导氩离子对工件表面进行轰击活化，刻蚀时间为30min。

(4)对预处理完的样品采用磁控溅射技术沉积纯Al层。沉积纯Al层的靶材为Al靶，纯度为99.99wt.％。施加于纯Al靶的靶电流为3A，负偏压为400A，惰性气体氩气的气流量为30sccm，腔体真空度≤5×10^-3Pa，常温，沉积时间为150min。

(5)沉积结束后，冷却至室温，即可获得即可获纯铝涂层。

(6)将沉积了纯Al涂层的样品放置于真空管式炉中，对样品进行真空热处理。退火过程中的真空度低于5×10^-3Pa，升温速率小于10℃/min；退火温度为850℃，保温时间为5h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图4所示。从截面形貌可以看出，形成了外层为β-(Ni， Pt)Al相，内层为互扩散层的Pt改性铝化物涂层。

实施例3

本实施例中Pt改性铝化物涂层的厚度约为33μm，外层的β-(Ni，Pt)Al相层的厚度约为28 μm，内层的互扩散层的厚度约为5μm。该Pt改性铝化物涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对基体表面进行打磨，将基体原始的表面打磨掉之后进行喷砂处理。然后对基体进行清洗、除油、表面活化。利用乙醇、丙酮等溶剂对718镍基高温合金进行超声清洗、除油清洗。然后进行电镀Pt，得到纯Pt层。

(2)将电镀后得到的纯Pt层在真空退火炉中退火，以稀释表面的Pt浓度。退火过程中的真空度低于5×10^-3Pa，升温速率小于10℃/min；退火温度为1030℃，保温时间为2h，随炉冷却到室温。

(3)在经热处理处理后的样品上使用磁控溅射技术沉积纯Al层。沉积之前，先对基体表面进行清洗和活化处理。所述活化处理包括：将基体置于真空的镀膜设备里，通入惰性气体，对基体施加800V的负偏压，引导氩离子对工件表面进行轰击活化，刻蚀时间为30min。

(4)对预处理完的样品采用磁控溅射技术沉积纯Al层。沉积纯Al层的靶材为Al靶，纯度为99.99wt.％。施加于纯Al靶的靶电流为3A，负偏压为400A，惰性气体氩气的气流量为30sccm，腔体真空度≤5×10^-3Pa，常温，沉积时间为150min。

(5)沉积结束后，冷却至室温，即可获得即可获纯铝涂层。

(6)将沉积了纯Al涂层的样品放置于真空管式炉中，对样品进行真空热处理。退火过程中的真空度低于5×10^-3Pa，升温速率小于10℃/min；退火温度为900℃，保温时间为3h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图5所示。从截面形貌可以看出，形成了外层为β-(Ni， Pt)Al相，内层为互扩散层的Pt改性铝化物涂层。

(7)在75％Na₂SO₄+25％NaCl的混合盐下腐蚀168h后的Pt改性铝化物涂层的表面形貌如图6所示。

对比例1

本对比例中简单铝化物涂层的厚度约为20μm。该涂层按照以下步骤制备：

(1)对工件进行表面清洗、除油、表面活化。首先用丙酮超声清洗25～35min，然后用酒精超声清洗30～40min。将洗净并干燥后的样品悬挂于真空镀膜设备中。通入惰性气体，对基体施加800V的负偏压，引导氩离子对工件表面进行轰击活化，刻蚀时间为30min。。

(2)对预处理完的样品采用磁控溅射技术的方法沉积一层纯Al层。纯Al靶材的质量百分数为99.99wt.％。靶电流为3A，负偏压为400A，氩气的气流量为30sccm，腔体真空度低于5×10^-3Pa，沉积时间为150min。

(3)对沉积结束的样品进行真空退火渗铝处理。退火的真空度低于5×10^-3Pa，氩气气氛，保温温度为800℃，保温时间为6h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图7所示。从截面形貌可以看出，形成了扩散层为β-NiAl相的铝化物涂层。

对比例2

本对比例中简单铝化物涂层的厚度约为25μm。该涂层按照以下步骤制备：

(1)对工件进行表面清洗、除油、表面活化。首先用丙酮超声清洗25～35min，然后用酒精超声清洗30～40min。将洗净并干燥后的样品悬挂于真空镀膜设备中。通入惰性气体，对基体施加800V的负偏压，引导氩离子对工件表面进行轰击活化，刻蚀时间为30min。。

(2)对预处理完的样品采用磁控溅射技术的方法沉积一层纯Al层。纯Al靶材的质量百分数为99.99wt.％。靶电流为3A，负偏压为400A，氩气的气流量为30sccm，腔体真空度低于5×10^-3Pa，沉积时间为150min。

(3)对沉积结束的样品进行真空退火渗铝处理。退火的真空度低于5×10^-3Pa，氩气气氛，保温温度为850℃，保温时间为5h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图8所示。从截面形貌可以看出，形成了扩散层为β-NiAl相的铝化物涂层。

对比例3

本对比例中简单铝化物涂层的厚度约为28μm。该涂层按照以下步骤制备：

(1)对工件进行表面清洗、除油、表面活化。首先用丙酮超声清洗25～35min，然后用酒精超声清洗30～40min。将洗净并干燥后的样品悬挂于真空镀膜设备中。通入惰性气体，对基体施加800V的负偏压，引导氩离子对工件表面进行轰击活化，刻蚀时间为30min。。

(2)对预处理完的样品采用磁控溅射技术的方法沉积一层纯Al层。纯Al靶材的质量百分数为99.99wt.％。靶电流为3A，负偏压为400A，氩气的气流量为30sccm，腔体真空度低于5×10^-3Pa，沉积时间为150min。

(3)对沉积结束的样品进行真空退火渗铝处理。退火的真空度低于5×10^-3Pa，氩气气氛，保温温度为900℃，保温时间为3h，随炉冷却到室温。退火后的截面形貌如图9所示。从截面形貌可以看出，形成了扩散层为β-NiAl相的铝化物涂层。

(4)在75％Na₂SO₄+25％NaCl的混合盐下腐蚀168h后的Pt改性铝化物涂层的表面形貌如图10所示。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Pt改性铝化物涂层的制备方法，其特征在于包括：

采用电镀技术，在基体表面沉积形成Pt层，之后置于真空装置中，并于真空度≤5×10^{- 3}Pa，温度为1000～1100℃的保护性气氛中进行第一退火处理2～5h；

以及，采用磁控溅射技术，以Al靶为靶材，以惰性气体为工作气体，在第一退火处理所获基体的表面沉积Al层，其中，腔体真空度≤5×10^-3Pa，Al靶的靶电流为2～4A，基体负偏压为300～500V，惰性气体的气流量为30～40sccm，沉积温度为室温，沉积时间为150～240min；之后在真空度≤5×10^-3Pa、温度为800～900℃的保护性气氛中进行第二退火处理3～6h；制得Pt改性铝化物涂层；

其中，所述Pt改性铝化物涂层包括依次形成于基体表面的内层及外层，所述内层为难熔金属元素互扩散层，所述外层为β-(Ni,Pt)Al相层；所述难熔金属元素互扩散层中的金属元素主要含有Cr、Mo、Nb、Fe中的任意一种或两种以上的组合；所述Pt改性铝化物涂层的厚度为23～33μm；所述内层的厚度为3～5μm；所述外层的厚度为18～28μm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Al靶中Al的含量≥99.99wt.％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基体的材质为镍基高温合金。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：在基体表面沉积形成Pt层之前，先对基体进行打磨、喷砂、清洗、除油和表面活化处理。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：对第一退火处理所获基体进行活化处理。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述活化处理包括：将第一退火处理所获基体置于真空腔体内，通入氩气，对基体施加600～800V的负偏压，引导氩离子对基体表面进行轰击活化。

7.权利要求1-6中任一项所述的制备方法制得的Pt改性铝化物涂层于海洋环境或900℃高温苛刻条件下的工件表面防护中的用途。