電弧離子鍍制備致密MCrAlRe型涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬涂層技術(shù)，特別提供了一種電弧離子鍍制備致密的MCrAIRe型涂 層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為典型的高溫防護(hù)涂層，MCrAlRe(M代表Fe、Co、Ni、Ti或其組合，Re為稀 土元素包括Y、La、Hf、Ce、Dy或其組合）型涂層因具有一定的塑韌性等性能優(yōu)勢而廣泛 用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱端部件的高溫防護(hù)[參見文獻(xiàn)：N.Birk S，G.H.Meier，F(xiàn). S.Pettit,Introduction to the high-temperature oxidation of metals,2nd edition，Cambridge University Press，Cambridge]〇
[0003] 電弧離子鍍具有靶材離化率高的優(yōu)點(diǎn)，由該工藝制備的涂層結(jié)合力及均勻涂 覆能力優(yōu)于其他PVD及噴涂工藝。而且電弧離子鍍設(shè)備的制造和維護(hù)成本低于其他如 等離子噴涂和電子束物理氣相沉積等設(shè)備。因此，前述MCrAIRe型高溫防護(hù)涂層很大 部分由電弧離子鍍工藝制備。電弧離子鍍工藝的工作氣壓一般為10-10 iPa，在此氣壓 范圍內(nèi)電弧可以維持穩(wěn)定，通常用氬氣作為工作氣體通入真空鍍膜腔室，并將氣壓維持 在上述范圍（參見文獻(xiàn)：田民波，薄膜技術(shù)與薄膜材料，清華大學(xué)出版社，2006年第一 版）。該工藝的問題是所鍍涂層通常在微觀結(jié)構(gòu)上比較疏松，并且會夾雜部分工作氣體 如氦氣（參見文獻(xiàn)：J. Andersson，A. Anders, Gasless sputtering: Opportunities for ultraclean metallization, coatings in space,and propulsion，Applied Physics Letters，92, 221503 (2008))，所引起的后果是涂層性能下降。為防止其性能下降，通常對涂 層進(jìn)行后處理，如高溫退火以使涂層致密化。但由于涂層夾雜氣體，直接退火又容易引發(fā)涂 層的鼓包，因而，高溫退火前需要增加低溫除氣工藝。這些附加的工藝顯著增加了制備涂層 的總體效率和工藝可靠性。另外，高溫處理也使得涂層晶粒粗化，不利于涂層中鋁等活性元 素的選擇性氧化。
[0004] 對此，實(shí)現(xiàn)由電弧離子鍍直接獲得致密化且無氣體夾雜的MCrAIRe型涂層的工藝 可顯著提高涂層的制備效率和工藝可靠性以及涂層性能。同時有助于推動電弧離子鍍工藝 更加廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明利用高真空電弧放電現(xiàn)象，在高于傳統(tǒng)工藝兩個數(shù)量級以上的真 空度條件下，實(shí)現(xiàn)了不通任何工作氣體如氬氣的高真空電弧離子鍍MCrAIRe涂層的工藝。 高真空條件下，氣態(tài)粒子的平均自由程顯著增加，既減少了靶材粒子的碰撞而提高M(jìn)CrAIRe 涂層沉積態(tài)的致密度，又抑制了涂層沉積過程中對氣體的夾雜。
[0005] 本發(fā)明與電弧放電型高真空離子鍍技術(shù)（ADIP，日本神港精機(jī)株式會社）的區(qū)別 是后者是在反應(yīng)蒸鍍的基礎(chǔ)上，增加熱電子發(fā)射電極實(shí)現(xiàn)弧光放電來加熱蒸發(fā)金屬，并使 用離化電極離化金屬蒸氣實(shí)現(xiàn)高真空下的離子鍍，實(shí)質(zhì)上是蒸發(fā)加離化的過程，因各元素 蒸氣壓存在差異，涂層成分與靶材會出現(xiàn)偏離，利用這種蒸發(fā)方式沉積涂層的工藝不適于 像MReAlRe型多組元合金涂層的制備；而本發(fā)明利用的是電弧離子鍍的方式，電弧既是蒸 發(fā)源又是離化源，蒸發(fā)和離化是一個統(tǒng)一的不可分割的過程，無需其他輔助離化裝置，優(yōu)點(diǎn) 是可以獲得與多組元合金靶材如MCrAIRe成分接近的合金涂層。
[0006] 本發(fā)明利用高真空電弧放電特性，可解決當(dāng)前電弧離子鍍制備MCrAIRe型涂層存 在致密性差、涂層夾氣、后處理繁瑣及其引起的工藝可靠性低的問題；并可以克服高真空電 子束物理氣相沉積該類涂層結(jié)合力低下的問題，且具有顯著的成本優(yōu)勢，適合工業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決當(dāng)前普遍采用氬氣等工作氣體的電弧離子鍍MCrAIRe 型涂層存在孔隙率高、致密性差且存在氣體夾雜而引發(fā)的一系列的問題，而提供的電弧離 子鍍制備致密MCrAIRe型防護(hù)涂層的方法。
[0008] 電弧離子鍍制備致密MCrAIRe型涂層的方法，其特征在于：MCrAlRe型靶材表面平 行方向磁場強(qiáng)度為10-50G ;鍍膜室真空度為3X 10 3-2X 10 6Pa ;不通Ar等任何氣體，直接 引燃陰極電??；對基體施加偏壓進(jìn)行鍍膜。開始鍍膜時，可選擇將偏壓加至-600到-1000V， 占空比10-40%，維持?jǐn)?shù)分鐘，用于離子轟擊清洗工件。
[0009] 所述MCrAIRe型靶材成分中：M代表Fe、Co、Ni、Ti或其組合，Re為稀土元素包括 Y、La、Hf、Ce、Dy或其組合，還可含有B、Si、C、Pt、Ag等其他非金屬或金屬元素。
[0010] 鍍膜室真空度達(dá)到3X 10 3-2X 10 6Pa時，采用接觸法、激光或電子束直接引燃電 弧，其中接觸法結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。
[0011] 電弧電流為60-600A，電流大小可影響涂層沉積速率；電流可為直流或脈沖直流； 當(dāng)采用脈沖直流時，脈沖電流頻率為1-lOOOHz，占空比為10% -90%。
[0012] 對基體施加直流或脈沖負(fù)偏壓；偏壓幅值為10-1000V;脈沖負(fù)偏壓頻率為 5-50kHz，占空比 10% -90%。
[0013] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 本發(fā)明所述電弧離子鍍制備致密MCrAIRe型涂層的方法，可獲得致密的MCrAIRe 型涂層，涂層無氣體夾雜。
[0015] 在高溫氧化或退火時涂層不存在鼓包現(xiàn)象，可免去制備態(tài)涂層的后續(xù)熱處理工藝 而直接使用。
[0016] 涂層成分可控、結(jié)構(gòu)致密且結(jié)合力優(yōu)于高真空電子束物理氣相沉積的MCrAIRe型 涂層。
[0017] 可解決當(dāng)前電弧離子鍍制備MCrAIRe型涂層存在致密性差、涂層夾氣、后處理繁 瑣及其引起的工藝可靠性低的問題；且具有顯著的成本優(yōu)勢，適合工業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說明】
[0018] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
[0019] 圖1為在鎳基高溫合金K417G試樣上用（a)常規(guī)方法和（b)本發(fā)明方法獲得的 NiCrAlY涂層截面掃描電鏡照片；
[0020] 圖2為上述兩種涂層在1000°C空氣中的恒溫氧化動力學(xué)曲線示意圖；
[0021] 圖3為上述兩種涂層在1000°C空氣中恒溫氧化100小時后的截面掃描電鏡照片；
[0022] 圖4為上述兩種涂層在1000°C空氣中恒溫氧化100小時后的表面掃描電鏡照片；
[0023] 圖5為在鎳基高溫合金K417G試樣上用本發(fā)明方法在高偏壓下獲得的致密 NiCrAlY涂層截面掃描電鏡照片；
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025] 實(shí)施例1
[0026] 本實(shí)施例對電弧離子鍍制備致密NiCrAlY涂層的方法進(jìn)行說明。首先將 NiCrAlY(Ni-30Cr-10Al-0. 5Y質(zhì)量百分比wt% )靶安裝于陰極水冷靶套，然后調(diào)整磁場使 靶材表面平行方向磁場強(qiáng)度在10-80G范圍，優(yōu)選為10-50G ;將鎳基高溫合金K417G試片 掛于靶前，關(guān)閉真空室門，進(jìn)行抽氣；鍍膜室真空度達(dá)到0. 5-2X 10 3Pa時，采用接觸法由引 弧針直接引燃陰極電?。粚w施加脈沖負(fù)偏壓20-50V進(jìn)行鍍膜。電弧電流為60-600A， 電流大小可影響涂層沉積速率，本例采用80A直流電流。對基體施加的脈沖負(fù)偏壓頻率為 10kHz，占空比20 %。本例鍍膜4小時后關(guān)閉弧源。
[0027] 作為對比，同樣以常規(guī)工藝在通氬氣真空度為1-2X10 ipa的條件下，在K417G合 金試片上鍍NiCrAlY涂層?；‰娏魍瑯訛?0A直流電流，脈沖負(fù)偏壓及占空比同上。鍍膜 時間同樣為4小時。
[0028] 兩類涂層的化學(xué)成分均與靶材接近。圖la展示了上述常規(guī)工藝獲得的NiCrAlY 涂層的截面掃描電鏡顯微照片，照片顯示涂層內(nèi)分布著大量的不規(guī)則孔洞，而且在涂層與 基體界面處存在空隙，表明該涂層的致密性、粘附性較差。圖lb展示了上述本發(fā)明提供的 工藝獲得的NiCrAlY涂層的截面掃描電鏡顯微照片，照片顯示，較之于常規(guī)工藝，涂層內(nèi)孔 洞的數(shù)量和尺寸明顯減少；而且在涂層與基體界面處不存在空隙，表明該涂層的致密性、粘 附性要優(yōu)于常規(guī)工藝得到的涂層。
[0029] 實(shí)施例2
[0030]