一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法。該涂層材料，包括高溫合金基體、MCrAlY防涂層、超細(xì)晶重熔層，本發(fā)明還公開了一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料制備方法，即采用“大氣等離子噴涂（APS）+強(qiáng)流脈沖電子束（HCPEB）”復(fù)合技術(shù)制備具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的MCrAlY防護(hù)涂層。采用該種復(fù)合技術(shù)制備的具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的MCrAlY防護(hù)涂層能夠加速Al元素的選擇性氧化，促使涂層在很短的時(shí)間內(nèi)快速形成連續(xù)致密的氧化膜，從而減少了在氧化過程中氧化膜生成元素的消耗，進(jìn)而提高了涂層的抗氧化能力。
【專利說明】—種抗氧化MCrAI Y細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種抗氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代能源和航空、航天業(yè)等領(lǐng)域，為提高動(dòng)力系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對高溫合金及其防護(hù)涂層材料的性能提出了越來越高的要求；在實(shí)際應(yīng)用中，高溫合金主要起承受載荷作用，而防護(hù)涂層則起到抵抗高溫氧化的作用，因此，測定防護(hù)涂層材料的耐高溫氧化性能、研究其氧化和失效機(jī)理、尋找高溫氧化性能的改善途徑就顯得尤為迫切。
[0003]MCrAlY (M是過渡族金屬N1、Co，或Ni與Co的混合物)涂層由于具有優(yōu)良的抗高溫氧化以及耐熱腐蝕性能，被廣泛地應(yīng)用于制作運(yùn)行于參數(shù)高、使用環(huán)境惡劣的燃?xì)廨啓C(jī)葉片上的抗氧化防護(hù)涂層和熱障涂層粘結(jié)層；涂層的制備工藝有多種，包括電子束物理氣相沉積(EB-PVD)，等離子噴涂(PS)，爆炸噴涂(DS)和高速氧火焰噴涂(HVOF)等；其中，等離子噴涂技術(shù)由于具有成本低，生產(chǎn)效率高，噴涂厚度可調(diào)范圍大，成分易控制等優(yōu)點(diǎn)成為MCrAIY防護(hù)涂層的主要制備方法；但等離子噴涂制備的涂層中存在較多的疏松與孔洞以及片層結(jié)構(gòu)界面，均可能成為氧、硫等元素侵入的通道，進(jìn)而影響氧化膜的形成與生長，最終導(dǎo)致涂層容易開裂或脫落。
[0004]長久以來，防護(hù)涂層的研究工作都是從制備工藝改進(jìn)及涂層結(jié)構(gòu)控制兩方面來進(jìn)行的，以實(shí)現(xiàn)改善抗氧化性能的目標(biāo)；但工藝改進(jìn)過程中伴隨的復(fù)雜性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等因素極大地制約了其 在涂層【技術(shù)領(lǐng)域】中的廣泛應(yīng)用；而相比之下，結(jié)構(gòu)控制如利用具有細(xì)化組織特性的復(fù)合技術(shù)獲得晶粒細(xì)小涂層的方法則能夠很好地解決以上問題。
[0005]基于以上技術(shù)考慮，本發(fā)明公開了一種耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法；利用“大氣等離子噴涂(APS) +強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)”復(fù)合技術(shù)制備具有超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的MCrAH防護(hù)涂層；這種細(xì)化了的涂層組織，能夠加速Al元素的選擇性氧化，促使涂層在很短的時(shí)間內(nèi)快速形成連續(xù)致密的氧化膜，從而減少在氧化過程中氧化膜生成元素的消耗，進(jìn)而提高涂層的抗氧化能力。這種細(xì)晶防護(hù)涂層是一種理想的抗氧化涂層材料。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決【背景技術(shù)】中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法。利用“大氣等離子噴涂(APS)+強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)”復(fù)合技術(shù)，不僅克服了等離子噴涂方法制備涂層的不足，即所制備的涂層疏松、多孔，且表面粗糙、相結(jié)構(gòu)不均勻，容易導(dǎo)致涂層脫落；同時(shí)能夠獲得細(xì)化的涂層組織，進(jìn)而提高涂層的抗氧化能力。
[0008]本發(fā)明提出的一種耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料，包括高溫合金基體，在所述高溫合金基體表面形成MCrAH防護(hù)涂層，在所述MCrAH防護(hù)涂層表面形成超細(xì)晶重熔層，所述表面MCrAlY防護(hù)涂層采用大氣等離子噴涂方法獲得，所述超細(xì)晶重熔層采用強(qiáng)流脈沖電子束重熔技術(shù)制備而成。
[0009]所述等離子噴涂制備的MCrAH (M為Ni，Co，或Ni與Co的混合物)，涂層厚度在150-200 μm之間。
[0010]所述強(qiáng)流脈沖電子束重熔技術(shù)制備的細(xì)晶防護(hù)涂層，表面光滑、致密，均勻分布著大量的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸在40-500 nm之間。
[0011]本發(fā)明中，上述公開的MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):利用電子束對等離子噴涂方法制備的涂層表面進(jìn)行重熔處理，涂層表面形成光滑致密的重熔層，厚度可達(dá)幾十微米；同時(shí)，電子束轟擊導(dǎo)致涂層表層熔化并快速冷卻，在極為快速的凝固過程中晶粒來不及長大，從而在輻照表面形成超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。這些超細(xì)晶結(jié)構(gòu)能夠?yàn)锳l元素的擴(kuò)散提供大量的擴(kuò)散通道，加速其選擇性氧化，并在氧化初期快速形成一層連續(xù)致密的a -Al2O3保護(hù)膜，從而使涂層具有抗氧化穩(wěn)態(tài)期的時(shí)間縮短以及保證在氧化過程中氧化膜生成元素的消耗量很小，進(jìn)而有效地提高涂層的抗氧化能力。
[0012]本發(fā)明還提出了一種耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料的制備方法，包括以下步驟:
(1)高溫合金基體經(jīng)過預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理后，利用大氣等離子噴涂的方法在高溫合金基體表面沉積MCrAH防護(hù)涂層；
(2)對制備好的MCrAH防護(hù)涂層進(jìn)行HCPEB轟擊處理，實(shí)現(xiàn)MCrAH涂層表面重熔處理，完成MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層的制備。
[0013](3)對制備好的細(xì)晶涂層樣品進(jìn)行高溫氧化性能檢測分析，檢測密封性和耐高溫氧化性。
[0014]所述步驟(1)中采用的大氣等離子噴涂技術(shù)，選擇電壓為33~40V，電流為720~820A，送粉量為2~5rmp，噴砂速率為40(T500mm/s，噴涂距離為8(Tl00mm。
[0015]所述步驟(2)中采用的HCPEB重熔技術(shù)，選擇真空度P≤8X10_3 Pa，電子束能量為20~40 KeV，能量密度為3~10 J/cm2，轟擊次數(shù)為10~50次，靶源距離為15~20cm。
[0016]上述技術(shù)方案的指導(dǎo)思想是:強(qiáng)脈沖電子束與材料表面相互作用是一個(gè)快速加熱和快速冷卻的過程，加熱速度高達(dá)IO9 K/s，可將材料表面一定深度瞬間加熱到熔化，形成的極大溫度梯度(10卜8 K/m)可使表面層借助向基體的熱傳導(dǎo)急劇冷卻，冷卻速度也達(dá)IO4~9K/s，從而使得固體材料表面重熔；此外，在極為快速的凝固條件下，電子束輻照產(chǎn)生的熔體大量形核但晶粒卻來不及長大，從而在輻照表層形成超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明中，上述公開的耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料的制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)=HCPEB輻照是純能量運(yùn)輸過程，與激光束、脈沖離子束的作用相比，不僅克服了脈沖離子束輻照帶來的離子雜質(zhì)對材料的影響問題，由于電子的質(zhì)量很小，因此比離子束的改性層深度大很多，而且比激光束的能量利用率要高出很多；利用HCPEB的上述優(yōu)點(diǎn)對大氣等離子噴涂的MCrAH防護(hù)涂層進(jìn)行表面重熔處理，調(diào)整電子束參數(shù)使得涂層表面重熔后獲得超細(xì)晶組織，這種細(xì)晶防護(hù)涂層具有良好的抗高溫氧化性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明中一種耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料的表面SEM分析圖；圖2為圖1中涂層表面超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的SEM分析圖；
圖3為圖1中涂層截面重熔層的SEM分析圖；
圖4為圖1中涂層等溫氧化100 h后界面處形成的連續(xù)的氧化膜形貌的SEM分析圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1:結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)過程詳細(xì)說明CoCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層高溫耐氧化性能的實(shí)施方案，以相同能量、不同脈沖次數(shù)為例，具體步驟如下:
(I)CoCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層的制備
S1、高溫合金基體，例如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件，經(jīng)過預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理后，利用大氣等離子噴涂的方法在高溫合金基體表面沉積Co23Crl3A10.5Y防護(hù)涂層，厚度在200μ m;根據(jù)大氣等離子噴涂設(shè)備的技術(shù)要求選擇電壓為38 V，電流為750 A，噴槍速率為450臟/s,噴涂距離為85 mm。
[0020]S2、將制備好的Co23Crl3A10.5Y防護(hù)涂層固定在強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)裝置的試樣臺上，關(guān)閉真空室并抽真空，真空度P≤8X 10_3 Pa ；
53、對制備好的Co23Crl3A10.5Y防護(hù)涂層進(jìn)行HCPEB轟擊處理；根據(jù)HCPEB設(shè)備的技術(shù)要求選擇電子束能量為27 KeV，能量密度為4 J/cm2，靶源距離為15 cm，對試樣進(jìn)行1，5，10，20及30次輻照處理，實(shí)現(xiàn)涂層表面重熔處理，完成Co23Crl3A10.5Y細(xì)晶防護(hù)涂層的制備。
[0021](2)高溫氧化性能測試
54、將制備好的細(xì)晶防護(hù)涂層置于封閉的箱式熱處理爐內(nèi)，在常壓靜態(tài)空氣氛圍中1050 °C下等溫氧化100 h。
[0022]對細(xì)晶防護(hù)涂層表面相結(jié)構(gòu)進(jìn)行XRD測試；結(jié)果顯示，涂層表面相結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包含Y -Co, β -CoAl以及a -Al2O3 ;隨著轟擊次數(shù)的增加，峰位沒有發(fā)生明顯的變化，說明沒有明顯的殘余應(yīng)力產(chǎn)生。
[0023]對細(xì)晶防護(hù)涂層表面形貌進(jìn)行SEM觀察；結(jié)果顯示，I次轟擊后，涂層表面實(shí)現(xiàn)重熔；多次脈沖次數(shù)轟擊處理后，材料表層重熔后光滑、致密，隨著轟擊次數(shù)的增加，重熔層厚度不斷增加；此外，在重熔層表層均勻分布著大量的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。
[0024]對細(xì)晶防護(hù)涂層耐氧化性能進(jìn)行高溫測試；在1050°C下的靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，這種細(xì)晶防護(hù)涂層表面氧化物主要是C1-Al2O3，含有極少量的尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物。截面形貌觀察顯示，氧化膜均勻連續(xù)，并且隨著轟擊次數(shù)的增加，氧化膜的厚度不斷減小。
[0025]實(shí)施例2:結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)過程詳細(xì)說明Co23Crl3A10.5Y細(xì)晶防護(hù)涂層高溫耐氧化性能的實(shí)施方案，以相同脈沖次數(shù)、不同能量為例，具體步驟如下:
(l)Co23Crl3A10.5Y細(xì)晶防護(hù)涂層的制備
S1、高溫合金基體(或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件)經(jīng)過預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理后，利用大氣等離子噴涂的方法在高溫合金基體沉積Co23Crl3A10.5Y防護(hù)涂層，厚度在200 μ m ;根據(jù)大氣等離子噴涂設(shè)備的技術(shù)要求選擇電壓為38 V，電流為750 A，噴槍速率為450 mm/s，噴涂距離為85 mm。
[0026]S2、將制備好的Co23Crl3A10.5Y防護(hù)涂層固定在強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)裝置的試樣臺上，關(guān)閉真空室并抽真空，真空度P≤8X 10_3 Pa ；53、對制備好的Co23Crl3A10.5Y防護(hù)涂層進(jìn)行HCPEB轟擊處理。根據(jù)HCPEB設(shè)備的技術(shù)要求選擇電子束能量為21.6，23.4及27 KeV，能量密度為4 J/cm2，靶源距離為15 cm，對試樣進(jìn)行20次輻照處理，實(shí)現(xiàn)Co23Crl3A10.5Y涂層表面重熔處理，完成Co23Crl3A10.5Y細(xì)晶防護(hù)涂層的制備。
[0027](2)高溫氧化性能測試
54、將制備好的細(xì)晶防護(hù)涂層置于封閉的箱式熱處理爐內(nèi)，在常壓靜態(tài)空氣氛圍中1050 °C下等溫氧化100 h。
[0028]對細(xì)晶防護(hù)涂層表面相結(jié)構(gòu)進(jìn)行XRD測試；結(jié)果顯示，涂層表面相結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包含Y-Co，β -CoAl以及a-Al2O3 ;隨著電子束能量的增加，峰位沒有發(fā)生明顯的變化，說明沒有明顯的殘余應(yīng)力產(chǎn)生。
[0029]對細(xì)晶防護(hù)涂層表面形貌進(jìn)行SEM觀察；結(jié)果顯示，不同電子束能量轟擊處理后，材料表層重熔后光滑、致密，且隨著電子束能量的不斷增加，重熔層厚度不斷增加；此外，在重熔層表層均勻分布著大量的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)。
[0030]對細(xì)晶防護(hù)涂層耐氧化性能進(jìn)行高溫測試；在1050°C下的靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，這種細(xì)晶涂層表面氧化物主要是C1-Al2O3，含有極少量的尖晶石結(jié)構(gòu)氧化物。截面形貌觀察顯示，氧化膜均勻連續(xù)，并且隨著電子束能量的增加，氧化膜的厚度不斷減小。
[0031]在實(shí)施例1-2中獲得的MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料具有三層結(jié)構(gòu)，分別為基體、MCrAH涂層、細(xì)晶重熔層，其SEM分析圖如圖1_3所示；圖1是耐氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層的表面SEM分析圖； 圖2為圖1中涂層表面超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的SEM分析圖；圖3為圖1中涂層截面重熔層的SEM分析圖；結(jié)果顯示，該種復(fù)合技術(shù)制備而成的涂層材料表層光滑、致密，超細(xì)晶結(jié)構(gòu)尺寸大概在50-400 nm，重熔層厚度在10-40 μπι左右；圖4為圖1中涂層等溫氧化100 h后界面處形成的連續(xù)的氧化膜形貌的SEM分析圖，說明這種復(fù)合技術(shù)制備而成的細(xì)晶涂層材料具有良好的高溫耐氧化性能。
【權(quán)利要求】
1.一種抗氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料，包括高溫合金基體，其特征在于，在所述高溫合金基體表面形成MCrAH防護(hù)涂層，在所述MCrAH防護(hù)涂層表面形成超細(xì)晶重熔層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料，其特征在于，所述MCrAlY涂層采用大氣等離子噴涂方法獲得，所述超細(xì)晶重熔層采用強(qiáng)流脈沖電子束重熔技術(shù)制備而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種抗氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料，其特征在于，等離子噴涂方法制備的MCrAlY涂層，M為Ni，Co，或Ni與Co的混合物，涂層厚度為150-200 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種抗氧化MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層材料，其特征在于，強(qiáng)流脈沖電子束重熔技術(shù)制備的細(xì)晶防護(hù)涂層，涂層為表面光滑、致密，均勻分布的超細(xì)晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為40-500nm。
5.一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料的制備方法，其特征在于，采用“大氣等離子噴涂+強(qiáng)流脈沖電子束”復(fù)合技術(shù)，包括以下步驟: (1)高溫合金基體經(jīng)過預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理后，利用大氣等離子噴涂的方法在高溫合金基體表面沉積MCrAH防護(hù)涂層； (2)對制備好的MCrAH防護(hù)涂層進(jìn)行HCPEB轟擊處理，實(shí)現(xiàn)MCrAH涂層表面重熔處理，完成MCrAH細(xì)晶防護(hù)涂層的制備； (3)對制備好的細(xì) 晶涂層樣品進(jìn)行高溫氧化性能檢測分析，檢測密封性和耐高溫氧化性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料的制備方法，其特征在于，在步驟(1)中采用的APS技術(shù)，選擇電壓為37~39V，電流為740-760Α，送粉量為2~3rmp，噴砂速率為400~500mm/s,噴涂距離為80~100mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料的制備方法，其特征在于，在步驟(2)中采用的HCPEB技術(shù)，選擇真空度P ( 8X 10_3 Pa，電子束能量為2(T30KeV，能量密度為4~lOJ/cm2，轟擊次數(shù)為10~50次。
【文檔編號】C23C4/08GK103789713SQ201410046231
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】關(guān)慶豐, 蔡杰, 楊盛志, 侯秀麗, 王曉彤, 李艷 申請人:江蘇大學(xué)