TWI694156B

TWI694156B - 鋁鈷鉻鐵鎳矽合金、粉體及其披覆成形塗層

Info

Publication number: TWI694156B
Application number: TW108142839A
Authority: TW
Inventors: 陳溪山; 周育賢; 陳超明
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-05-21
Also published as: TW202120709A; US11104981B2; US20210156007A1

Abstract

一種鋁鈷鉻鐵鎳矽(Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)合金，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。本發明應用合金設計來開發出低鋁的Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si合金配方，同時具備高溫硬度、高耐磨、耐腐蝕與高溫抗氧化能力。

Description

鋁鈷鉻鐵鎳矽合金、粉體及其披覆成形塗層

本發明係有關於一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金，特別是有關於一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金、粉體及其披覆成形塗層。

為了要因應發動機渦輪燃燒段溫度需要提升的需求，鎳基超合金表面需要陶瓷鍍層作為熱阻障層，而鎳基超合金與陶瓷間須透過金屬鍵結層來提升兩種材料的鍵結強度。現在使用之金屬鍵結層與熱阻障層陶瓷YSZ的介面，隨熱循環的進行，熱成長氧化物Thermally Grown Oxide (TGO)厚度增加，使得熱阻障鍍層Thermal barrier coating (TBC)剝離。此外，由於歐盟環保要求需生產無鹵高玻璃纖維塑料零件，塑膠材料為防火安全與環保規範而添加無機阻燃劑。無鹵塑料需添加高比例耐燃劑，造成射出組件腐蝕嚴重。為了提升塑膠零件強度，添加大量玻璃纖維，造成射出零件磨損嚴重。射料組件前端承受高溫、高壓環境，目前使用之SKD材料磨損與腐蝕極為嚴重。

由五種或五種以上大約等含量之金屬所形成的合金係為高熵合金，如，鋁鈷鉻鐵鎳合金即是五種金屬所形成的高熵合金，實際應用上發現高熵合金具有高硬度、高溫硬度、抗磨耗、耐腐蝕與高溫抗氧化性等優異特性，包括高熵合金具有極佳的熱穩定性，提升使用溫度。高熵合金中具有較低的擴散速率，降低鍵結層與熱阻障層的反應速率。高熵合金表面形成緻密氧化層，降低鍵結層與熱阻障層的反應速率。高熵合金鍵結層具有優越高溫抗氧化特性，提供航太引擎更高操作溫度可能性。

本發明之目的是提供一種具有高硬度、高溫硬度、抗磨耗、耐腐蝕與高溫抗氧化性等優異特性之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金、粉體及其披覆成形塗層。本發明製造出鋁鈷鉻鐵鎳矽合金、粉體及其披覆成形塗層，並且將鋁鈷鉻鐵鎳矽(Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si)合金粉末披覆在鎳基超合金表面作為金屬鍵結層。本發明以Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si合金粉末，利用熱噴塗技術在螺桿表面進行披覆，提升射出組件的使用壽命。

本發明為達成上述目的提供一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。

本發明為達成上述目的更提供一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。

本發明為達成上述目的又提供一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，是將一組成成份原子百分比為4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體以披覆成形技術熔覆於一基材上。

與習知之高熵合金比較，本發明具有以下優點： 1. 本發明應用合金設計來開發出低鋁的Al-Co-Cr-Fe-Ni-Si合金配方，同時具備高溫硬度、高耐磨、耐腐蝕與高溫抗氧化能力。 2. 本發明合金中鋁原子比例低於12 at%，可解決成形過程的熱裂問題，鋁加矽原子比佔整體比例應高於18 at%，可提升合金的耐高溫特性。 3. 本發明利用惰性氣體霧化製程獲得高度成分均勻性之高流動性合金粉末。 4. 本發明合金粉末經過披覆製程，塗層具有高緻密度，並與基材具有高鍵結力。

本發明製造出一種具有低鋁含量之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金。利用惰性氣體霧化技術製作出成分均勻之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉末，再透過披覆成形技術將鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉末披覆於基材上，形成鋁鈷鉻鐵鎳矽合金塗層。鋁鈷鉻鐵鎳矽合金塗層具有高溫硬度、高耐磨、耐腐蝕與抗高溫氧化等特性。

實施例1：一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。一種鋁錳鉻鐵鎳矽合金，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 錳，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。

實施例2：一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。一種鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at%錳，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。

上述鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體是使用氣體霧化、水噴霧化、離心力霧化、離子霧化或結合上述任兩項霧化方法將一鋁鈷鉻鐵鎳矽合金製成該合金粉體。上述鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體也是使用上述霧化方法將一鋁錳鉻鐵鎳矽合金製成該合金粉體。

實施例3：一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，是將鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體披覆成形技術熔覆於一基材上。鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體之組成成份原子百分比為4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。一種鋁錳鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，是將鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體披覆成形技術熔覆於一基材上。鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體之組成成份原子百分比為4-12 at% 鋁，15-25 at% 錳，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。上述鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體或鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體是使用實施例2之方法來製造。

上述鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層或鋁錳鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層可以熔覆在螺桿、滾輪、渦輪葉片或活塞環等基材上。披覆成形技術可以是雷射披覆、熱噴塗、冷噴塗或真空鍍膜。

本發明選定鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之其中一種組成成份原子百分比為Al _19.6Co _11.8Cr _25.4Fe _4.0Ni _19.6Si _19.6at%，重量百分比為Al _11.8Co _15.6Cr _29.6Fe _5.0Ni _25.7Si _12.3wt%來進行物理、化學和機械性質分析。第1圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之粒徑分析結果圖，如第1圖所示，D ₅₀為31.8±0.3μm。

第2圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體之真圓度分析結果圖，如第2圖所示，合金粉體真圓度(aspect ratio) 是 0.92±0.1。

第3圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層硬度分析結果圖，30℃常溫硬度是Hv 638.0±17.89，600℃高溫硬度是 Hv517.9±10.0 。披覆成形塗層磨耗測試，在機器荷重3kg( 29.4N)和磨耗距離5000m之測試條件下，披覆成形塗層磨耗為3.35×10 ⁻ ⁶mm ³/N．m。

第4圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層熱重分析結果圖，高溫抗氧化可達1000℃，熱重增加約1.2wt.%。

本發明更選定鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之其中一種組成成份原子百分比為Al _8.9Co _21.8Cr _30.4Fe _6.2Ni _19.8Si _12.9at%，重量百分比為Al _4.8Co _25.8Cr _31.8Fe _7.0Ni _23.4Si _7.3wt%來進行物理、化學和機械性質分析。披覆成形塗層熱重分析結果是熱重增值0.6%，低於市售品Stellite 6 合金0.9%。披覆成形塗層硬度分析結果是30℃常溫硬度為Hv 807.3±11.5，600°C高溫硬度為Hv 511.2 。披覆成形塗層熱膨脹係數為4.4 x 10 ^-6/°C。披覆成形塗層磨耗測試，在機器荷重3kg( 29.4N)和磨耗距離5000m之測試條件下，磨耗測試結果是3.17×10 ^-6mm ³/N．m。

第5圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層之掃瞄式電子顯微鏡SEM照片，包括在316不鏽鋼和718鎳基超合金基材上以披覆成形技術形成披覆成形塗層。本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金Al _8.9Co _21.8Cr _30.4Fe _6.2Ni _19.8Si _12.9at%於718鎳基超合金基材披覆成形塗層後，依據ASTM C633規範，以PAT(Pull-off Adhesive Test)分析儀之附著測試分析結果是附著力為8933±24 psi (61.5MPa)。

第6圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層之成形測試照片。鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形測試參數為雷射功率400W、雷射掃描速率1600mm/s，此成形參數在316不鏽鋼基材表面進行13 x13 cm ²披覆層製作20mm厚之塗層，測試結果是無任何裂紋。

第7圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層之披覆層緻密度分析結果圖，透過影像軟體分析披覆成形塗層之孔隙率為0.43%，緻密度為99.57%。

無。

第1圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之粒徑分析結果圖。第2圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體之真圓度分析結果圖。第3圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層硬度分析結果圖。第4圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層熱重分析結果圖。第5圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層之掃瞄式電子顯微鏡SEM照片。第6圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層之成形測試照片。第7圖為本發明鋁鈷鉻鐵鎳矽合金之披覆成形塗層之披覆層緻密度分析結果圖。

無。

Claims

一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。
一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。
如請求項2所述之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體，其中，該鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體是使用氣體霧化、水噴霧化、離心力霧化、離子霧化或結合上述任兩項霧化方法將一鋁鈷鉻鐵鎳矽合金製成該合金粉體。
一種鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，是將一組成成份原子百分比為4-12 at% 鋁，15-25 at% 鈷，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體以披覆成形技術熔覆於一基材上。
如請求項4所述之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，其中，該鋁鈷鉻鐵鎳矽合金粉體是使用氣體霧化、水噴霧化、離心力霧化、離子霧化或結合上述任兩項霧化方法將一鋁鈷鉻鐵鎳矽合金製成該合金粉體。
如請求項4所述之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，其中，該基材是螺桿、滾輪、渦輪葉片或活塞環。
如請求項4所述之鋁鈷鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，其中，該披覆成形技術是雷射披覆、熱噴塗、冷噴塗或真空鍍膜。
一種鋁錳鉻鐵鎳矽合金，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 錳，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。
一種鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體，其組成成份原子百分比為：4-12 at% 鋁，15-25 at% 錳，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%。
如請求項9所述之鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體，其中，該鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體是使用氣體霧化、水噴霧化、離心力霧化、離子霧化或結合上述任兩項霧化方法將一鋁錳鉻鐵鎳矽合金製成該合金粉體。
一種鋁錳鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，是將一組成成份原子百分比為4-12 at% 鋁，15-25 at% 錳，25-35 at% 鉻，4-8 at% 鐵，15-25 at% 鎳，10-25 at% 矽，其中鋁加矽原子百分比是介於18-32 at%之鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體以披覆成形技術熔覆於一基材上。
如請求項11所述之鋁錳鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，其中，該鋁錳鉻鐵鎳矽合金粉體是使用氣體霧化、水噴霧化、離心力霧化、離子霧化或結合上述任兩項霧化方法將一鋁錳鉻鐵鎳矽合金製成該合金粉體。
如請求項11所述之鋁錳鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，其中，該基材是螺桿、滾輪、渦輪葉片或活塞環。
如請求項11所述之鋁錳鉻鐵鎳矽合金披覆成形塗層，其中，該披覆成形技術是雷射披覆、熱噴塗、冷噴塗或真空鍍膜。