CN1846985A - 一种纳米晶复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米晶复合涂层：内层为普通MCrAlY涂层，其中M为Ni、Co或Ni和Co和混合物；外层为同成分的纳米晶涂层；各成分重量百分比为：Al：4－12％；Cr：15－35％；Y：0.5－1％；其他：余量。本发明纳米晶复合涂层的制备方法：首先在基体材料(1)的表面制备一层普通MCrAlY涂层(2)，其中M为Ni、Co、或Ni和Co的混合物；然后在普通MCrAlY涂层(2)的表面制备与前者同成分的纳米晶涂层(3)。本发明大幅降低了制备纳米晶涂层的成本，简化了制备过程。保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时更好的保证了涂层的使用质量和使用寿命。
Description
技术领域：
本发明涉及材料科学，特别提供了一种纳米晶复合涂层及其制备方法。
背景技术：
在现有技术中，燃气轮机相关技术的发展受到材料技术和设计的很大限制。在技术发展过程中，结构设计技术、叶片冷却技术、高温铸造合金技术的发展都有效地提高了燃气轮机的效率和功率。从20世纪60年代起，MCrAlY涂层因其优良的抗氧化能力被广泛使用在运行参数高、环境恶劣的燃气轮机涡轮叶片技术中。但是，人们在实际使用中发现，这种涂层的性能在很大程度上取决于不同制备方法的使用。究其原因，当使用不同的制备方法时，即使涂层的化学成分相同，不同的方法制备出的涂层微观结构也不一样。现有技术中，纳米晶涂层的制造成本往往较高，而且涂层在特殊条件下(尤其是在高温或腐蚀环境下)使用时，涂层的寿命会急剧缩短。因此，寻找一种能提高MCrAlY涂层的抗氧化及热腐蚀能力的方法，有着重要的实际意义。
在现有技术中，普通MCrAlY型涂层为多相合金，当其中的铝含量较低时，合金的母相为面心立方塑性较好的Ni或Co的固溶体相；当合金中的Al含量较高时，由于脆性相的析出，合金的脆性增加，使材料的可加工性能急剧下降，而高的Al含量对提高涂层的高温氧化及热腐蚀性能是十分重要的。
当金属材料的成分相同时，晶粒尺寸不同，即晶界体积不同，可显著地改变材料的高温氧化速度，在本技术领域我们通常称之为晶界效应。纳米晶涂层与相同成分的粗晶涂层相比，晶界体积分数高，晶界作为快速扩散通道，晶界效应明显，不但可显著改善涂层的抗高温氧化与热腐蚀性能，而且改变了氧化膜成分，使合金中Al含量较低时仍可生成稳定的Al2O3膜，降低了材料加工的工艺难度。但是，现有技术中的纳米晶涂层直接涂覆在基体材料表面，制备成本高，在使用时涂层寿命短。人们期望获得一种抗高温氧化及热腐蚀性能优良、同时还具有较好机械加工性能的材料，这是本领域亟待解决的一大技术难题。
发明内容：
本发明的目的是提供一种纳米晶复合涂层及其制备方法。
本发明一种纳米晶复合涂层，其特征在于：所述涂层分为两层，内层为普通MCrAlY涂层2，外层为与前者同成分的纳米晶涂层3；其中M为Ni、Co或Ni和Co的混合物；以上所述的涂层中各成分的重量百分比为：
Al：4-13％；
Cr：15-35％；
Y：0.5-1％；
其他：余量。
针对现有技术中纳米晶涂层的制造成本过高的问题，在普通MCrAlY涂层2表面制造一定厚度的相同成分纳米晶涂层3，使涂层在使用初期就形成高质量的保护膜，保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时可延长整个涂层系统的使用寿命，降低涂层制备的成本；同时由于复合涂层中的两层成分组成一致，各成分含量基本相同，这样就很好的避免了因成分不同而造成的两层涂层间的明显互扩散，更好地保证了涂层的质量和使用寿命。
本发明一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：
在基体材料1的表面制备双层结构的复合涂层：首先在基体材料1的表面制备一层普通MCrAlY涂层2，其中M为Ni、Co、或Ni和Co的混合物；然后在普通MCrAlY涂层2的表面制备一层与前者同成分的纳米晶涂层3；以上所述的两层涂层中各成分的重量百分比为：
Al：4-13％；
Cr：15-35％；
Y：0.5-1％；
其他：余量。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层(2)采用的方法是以下三类方法之一：热喷涂、物理气相沉积、电镀。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层(2)所采用的热喷涂方法是超音速火焰喷涂(HVOF)；
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层(2)所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的方法是物理气相沉积。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层2所采用的方法是超音速火焰喷涂(HVOF)或电弧镀；在普通MCrAlY涂层2上制备表层纳米晶涂层3所采用的方法是溅射。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：首先在基体材料1表面制备的普通MCrAlY涂层2厚度为20～30μm。
本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备表面纳米晶涂层3厚度为10～20μm。
按照本发明所述纳米晶复合涂层的制备方法，表面纳米晶层3与底层普通McrAlY涂层2结合良好，结构致密、无明显的缺陷，从组织结构上也保证了涂层的良好性能。
本发明的优点：大幅降低了制造纳米晶涂层的成本，简化了制备过程。针对现有技术中纳米晶涂层的制造成本过高的问题，在普通MCrAlY涂层表面制造一定厚度的相同成分纳米晶涂层，使涂层在使用初期就形成高质量的保护膜，保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时可延长整个涂层系统的使用寿命，降低涂层制备的成本；同时由于复合涂层中的两层成分组成基本一致，这样就避免了因成分不同而造成的两层涂层间的互扩散，更好的保证了涂层的质量和使用寿命。
附图说明：
图1纳米晶复合涂层结构示意图。
具体实施方式：
参见图1；表1为各比较例与实施例的涂层系统结构对比列表；
比较例1
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例1
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在CoNiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶CoNiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例2
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在CoNiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶CoNiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例3
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)的方法在CoNiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶CoNiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
比较例2
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例4
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni，Ni余)厚度为20μm；用溅射的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例5
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；用电弧镀的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例6
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；用EB-PVD(电子束物理气相沉积)的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
比较例3
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例7
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例8
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例9
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余）厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)的方法在表面制备10m厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表表2、表3所示。
比较例4
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表表2、表3所示。
实施例10
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例11
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例12
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
比较例5
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例13
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例14
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
实施例15
样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。
表1涂层系统的结构
| 实施例11 | EB-PVDNiCrAlY | 电弧镀 | 10μm |
| 实施例12 | EB-PVDNiCrAlY | EB-PVD | 10μm |
| 比较例5 | 电镀NiCrAlY | 无 | |
| 实施例13 | 电镀NiCrAlY | 溅射 | 10μm |
| 实施例14 | 电镀NiCrAlY | 电弧镀 | 10μm |
| 实施例15 | 电镀NiCrAlY | EB-PVD | 10μm |
表2不同涂层900℃空气中的氧化增重率
| 涂层种类 | 氧化时间 | 增重率 | 涂层种类 | 氧化时间 | 增重率 |
| 比较例1 | 20 | 0.44 | 实施例8 | 20 | 0.21 |
| 40 | 0.55 | 40 | 0.29 | ||
| 60 | 0.61 | 60 | 0.34 | ||
| 80 | 0.65 | 80 | 0.39 | ||
| 100 | 0.69 | 100 | 0.45 | ||
| 实施例1 | 20 | 0.17 | 实施例9 | 20 | 0.19 |
| 40 | 0.28 | 40 | 0.28 | ||
| 60 | 0.35 | 60 | 0.35 | ||
| 80 | 0.40 | 80 | 0.39 | ||
| 100 | 0.43 | 100 | 0.42 | ||
| 实施例2 | 20 | 0.15 | 比较例4 | 20 | 0.23 |
| 40 | 0.27 | 40 | 0.31 | ||
| 60 | 0.33 | 60 | 0.42 | ||
| 80 | 0.42 | 80 | 0.46 | ||
| 100 | 0.45 | 100 | 0.55 | ||
| 实施例3 | 20 | 0.14 | 实施例10 | 20 | 0.17 |
| 40 | 0.26 | 40 | 0.28 | ||
| 60 | 0.31 | 60 | 0.36 | ||
| 80 | 0.37 | 80 | 0.39 | ||
| 100 | 0.41 | 100 | 0.41 | ||
| 比较例2 | 20 | 0.21 | 实施例11 | 20 | 0.15 |
| 40 | 0.32 | 40 | 0.25 | ||
| 60 | 0.41 | 60 | 0.33 | ||
| 80 | 0.49 | 80 | 0.38 | ||
| 100 | 0.52 | 100 | 0.43 | ||
| 实施例4 | 20 | 0.15 | 实施例12 | 20 | 0.16 |
| 40 | 0.24 | 40 | 0.23 | ||
| 60 | 0.29 | 60 | 0.33 | ||
| 80 | 0.34 | 80 | 0.39 | ||
| 100 | 0.39 | 100 | 0.44 | ||
| 实施例5 | 20 | 0.21 | 比较例5 | 20 | 0.44 |
| 40 | 0.29 | 40 | 0.55 | ||
| 60 | 0.35 | 60 | 0.61 | ||
| 80 | 0.39 | 80 | 0.65 | ||
| 100 | 0.42 | 100 | 0.69 |
| 实施例6 | 20 | 0.19 | 实施例13 | 20 | 0.17 |
| 40 | 0.31 | 40 | 0.28 | ||
| 60 | 0.34 | 60 | 0.35 | ||
| 80 | 0.36 | 80 | 0.40 | ||
| 100 | 0.40 | 100 | 0.43 | ||
| 比较例3 | 20 | 0.19 | 实施例14 | 20 | 0.15 |
| 40 | 0.29 | 40 | 0.27 | ||
| 60 | 0.38 | 60 | 0.33 | ||
| 80 | 0.46 | 80 | 0.42 | ||
| 100 | 0.57 | 100 | 0.45 | ||
| 实施例7 | 20 | 0.22 | 实施例15 | 20 | 0.14 |
| 40 | 0.28 | 40 | 0.26 | ||
| 60 | 0.33 | 60 | 0.31 | ||
| 80 | 0.37 | 80 | 0.37 | ||
| 100 | 0.41 | 100 | 0.41 |
表3.不同涂层的热腐蚀(75wt％NaCl+25wt％Na2SO4 at 850℃)增重率
| 实施例5 | 20 | 8.5 | 比较例5 | 20 | 10.6 |
| 40 | 15.4 | 40 | 65.5 | ||
| 60 | 24.6 | 60 | 86.7 | ||
| 80 | 49.6 | 80 | |||
| 实施例6 | 20 | 5.4 | 实施例13 | 20 | 5.87 |
| 40 | 11.4 | 40 | 13.6 | ||
| 60 | 27.8 | 60 | 45.8 | ||
| 80 | 46.8 | 80 | -21.7 | ||
| 比较例3 | 20 | 3.2 | 实施例14 | 20 | 14.3 |
| 40 | 11.5 | 40 | 25.7 | ||
| 60 | 22.3 | 60 | 32.6 | ||
| 80 | 64.6 | 80 | 49.7 | ||
| 实施例7 | 20 | 14.7 | 实施例15 | 20 | 3.3 |
| 40 | 20.4 | 40 | 12.7 | ||
| 60 | 37.5 | 60 | 42.6 | ||
| 80 | 49.4 | 80 | -4.7 |
Claims (10)
1、一种纳米晶复合涂层，其特征在于：所述涂层分为两层，内层为普通MCrAlY涂层2外层为与前者同成分的纳米晶涂层3其中M为Ni、Co或Ni和Co和混合物；以上所述的涂层中各成分的重量百分比为：
Al：4-13％；
Cr：15-35％；
Y：0.5-1％；
其他：余量。
2、一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：
在基体材料1的表面制备双层结构的复合涂层；首先在基体材料1的表面制备一层普通MCrAlY涂层2，其中M为Ni、Co、或Ni和Co的混合物；然后在普通MCrAlY涂层2的表面制备一层与前者同成分的纳米晶涂层3；以上所述的两层涂层中各成分的重量百分比为：
Al：4-13％；
Cr：15-35％；
Y：0.5-1％；
其他：余量。
3、按照权利要求2所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层2采用的方法是以下三类方法之一：热喷涂、物理气相沉积、电镀。
4、按照权利要求3所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层2所采用的热喷涂方法是超音速火焰喷涂(HVOF)；
5、按照权利要求3所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层2所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。
6、按照权利要求2所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的方法是物理气相沉积。
7、按照权利要求6所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。
8、按照权利要求2或3或6所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：制备普通MCrAlY涂层2所采用的方法是超音速火焰喷涂(HVOF)或电弧镀；在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的方法是溅射。
9、按照权利要求2～5或8其中之一所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：在基体材料1表面制备的普通MCrAlY涂层2厚度为20～30μm。
10、按照权利要求2或6或7或8所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于：表面纳米晶涂层3厚度为10～20μm。
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