CN101724301B

CN101724301B - 一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备工艺

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Publication number: CN101724301B
Application number: CN2008102280976A
Authority: CN
Inventors: 孙超; 姜肃猛; 彭新; 鲍泽斌; 王启民; 徐朝政; 刘山川; 宫骏
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: CN101724301A

Abstract

本发明涉及高温防护涂层技术，具体地说是一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备方法。在常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，再通过真空扩散退火的方法，形成外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层，该复合涂层表层Al元素浓度为18～22wt％，内层Cr元素浓度为28～45wt％。本发明通过电弧离子镀沉积加真空扩散退火的方法，制备外层富Al、内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，本发明所涉及的这种MCrAlY+AlSiY复合涂层有效地提高了涂层表层中Al存储相含量和Si的含量，并在涂层内层形成了富Cr层，从而可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。该复合涂层及其制备方法可应用于Ni基高温合金的防护。

Description

一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备工艺

技术领域

本发明涉及高温防护涂层技术，具体地说是一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备方法。

背景技术

MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co)涂层在镍基高温合金的防护上取得良好的效果，而且成分和厚度可按要求控制，满足不同使用工况条件的要求，因此作为高温防护涂层和热障涂层粘结底层已广泛应用于燃气轮机叶片的高温防护。相关应用的文献如：①中国发明专利，一种***喷涂制备热障涂层的方法，申请号01133423.1；②中国发明专利，一种抗氧化热障涂层及制备方法，申请号02133193.6；③中国发明专利，一种抗热冲击热障涂层的制备方法，申请号03133344.3；④中国发明专利，一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀涂层及其制备方法，申请号03111363.X；等等。

多年来的研究表明，MCrAlY涂层中，Cr与Al是形成保护性氧化膜的元素，对于高温合金及高温防护涂层部件，长时间的高温氧化、腐蚀以及涂层与基体的元素互扩散导致Al、Cr元素被大量消耗，从而使涂层体系失效。因此，通过提高MCrAlY涂层内Al、Cr的含量可以有效地延长涂层使用寿命。但过高Al、Cr含量会导致涂层脆性增加，熔点降低，不利于涂层部件冷热交替循环工作。采用梯度复合涂层的设计可以很好地解决这些问题。Cr和Al梯度分布时，不会对力学性能产生很大影响。此外，梯度分布的设计还可以提高界面结合，改善应力分布。

发明内容

为了延缓高温防护涂层的退化，延长涂层的使用寿命，本发明的目的在于提供一种外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的(MCrAlY+AlSiY)复合涂层及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种MCrAlY+AlSiY复合涂层，在常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，形成外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层，该复合涂层表层Al元素浓度为18～22wt％，内层Cr元素浓度为28～45wt％。

本发明在电弧离子镀(AIP，即ArcIonPlating)方法沉积的常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，随即采用真空扩散退火的方法来制备外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。

所述常规MCrAlY涂层合金体系成分(即靶材合金成分)，按质量百分比为，Co：0～40，Cr：15～40，Al：6～16，Y：0.1～1，Si：0～2，B：0.01～0.03％，Ni：余量。

所述MCrAlY+AlSiY复合涂层的具体制备方法为：1)电弧离子镀(AIP)制备常规MCrAlY涂层；2)在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层；3)真空扩散退火，最终获得外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。采用电弧离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层时，首先将真空室真空预抽至2×10^-3～1×10^-2Pa，通入Ar气，使真空室压强升至5×10^-2～3×10^-1Pa；然后对样品进行预溅射轰击清洗，靶基距为230～250mm，脉冲偏压为-800～-1000V，占空比20～40％，时间2～5min；再沉积MCrAlY涂层，靶基距为230～250mm，弧电压20～25V，弧电流50～70A，脉冲偏压为-150～-300V，占空比20～40％，沉积温度300～400℃，涂层厚度为40～60μm。

在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层时，按质量百分比计，AlSiY名义成分(即靶材合金成分)为，Si：7～14％，Y：0<Y≤2％，Al：余量；沉积工艺参数同沉积常规MCrAlY涂层，沉积的AlSiY涂层厚度为7～15μm。将上述得到的MCrAlY+AlSiY复合涂层进行真空热处理：真空扩散退火，真空扩散退火时，温度为950～1050℃，保温时间3～5h，升温速率5～8℃/min，随炉冷却至室温，得到外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。

沉积前，需对试样进行预处理，将基材试样打磨至Ra＝0.4μm，采用60～220目空心玻璃丸湿喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精漂洗后烘干。

本发明具有以下优点：

1.涂层使用寿命更长。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，由于提高了涂层表层Al源存储相β-NiAl的含量，在高温氧化过程中可提供Al源支持表层氧化膜的生成和修复，在热腐蚀过程中，可牺牲掉表层的富Al层，依靠内层的富Cr层抵抗腐蚀，从而延长涂层的使用寿命。

2.本发明所涉及MCrAlY涂层中，Al和Cr元素具有沿深度呈外层富Al而内层富Cr的梯度分布的特点。

3.本发明可应用于Ni基高温合金的防护。

4.采用本发明可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。

附图说明

图1(a)-(b)为1050℃退火前(a)和退火后(b)的(MCrAlY+AlSiY)复合涂层的截面SEM形貌。

图2为(MCrAlY+AlSiY)复合涂层退火后截面的元素面分布图。

图3为1000℃退火后的(MCrAlY+AlSiY)复合涂层的截面SEM形貌。。

图4为沿图3中白线Al和Cr元素浓度分布图。

具体实施方式

下面通过实例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

基材采用Ni基高温合金K465，其名义成分为(质量百分比)：9.75％Co，8.75％Cr，5.5％Al，2.15％Ti，1.85％Mo，10.25％W，1％Nb，Ni余量，试样尺寸为Φ15×1.5mm²。采用国产MIP-8-800型多弧离子镀设备共沉积MCrAlY+AlSiY复合涂层。MCrAlY靶材成分如下(质量百分比计)，Co：32；Cr：20；Al：8；Y：0.5；Si：1；B：0.03，Ni：余量。沉积前对试样进行预处理，即将基材试样打磨至Ra＝0.4μm，采用200目空心玻璃丸湿喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精漂洗后烘干备用。采用MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积常规MCrAlY涂层，预抽真空至7×10^-3Pa，轰击和沉积时通入Ar气，真空度为2×10^-1Pa。对样品进行预溅射轰击清洗时，靶基距为240mm，脉冲偏压为-800V，占空比33％，清洗时间5min；沉积时弧电压为20V，弧电流60～65A，脉冲偏压为-250V，占空比33％，沉积温度为350℃，沉积时间为300min，获得的常规MCrAlY涂层厚度约为32μm。

继续在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层，AlSiY靶材成分如下(质量百分比计)：Si：10；Y：1，Al：余量。沉积AlSiY涂层工艺参数同沉积常规MCrAlY涂层，获得的AlSiY涂层厚度约为8μm。将MCrAlY+AlSiY复合涂层放入石英玻璃管内抽真空后充入Ar气保护，在马弗炉中1050℃保温4h，升温速率为5℃/min，随炉冷却至室温。

扩散退火前后涂层的截面形貌如图1(a)-(b)所示。由图1(a)-(b)可知，扩散退火后，MCrAlY+AlSiY复合涂层表层厚度约25μm，由β-NiAl及弥散分布的σ-NiCoCr和Cr₃Si组成，内层厚度约15μm，由富Cr相及少量β-NiAl组成。

如图2所示，由MCrAlY+AlSiY复合涂层退火后截面的元素面分布图可以看出：退火后，MCrAlY+AlSiY复合涂层形成了外层富Al、内层富Cr的梯度分布。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

基材采用定向凝固Ni基高温合金DZ125，其名义成分为(质量百分比计)：10％Co，9％Cr，7％W，5％Al，2.5％Ti，3.5％Ta，C微量，Ni余量。试样尺寸为15×10×1.5mm³。涂层沉积参数同实施例1。将MCrAlY+AlSiY复合涂层放入石英玻璃管内抽真空后充入Ar气保护，在马弗炉中1000℃保温5h，升温速率为6℃/min，随炉冷却至室温。

扩散退火前后涂层的截面形貌如图3所示，由图3可知，扩散退火后，MCrAlY+AlSiY复合涂层表层厚度约15μm，由β-NiAl和σ-NiCoCr组成，Al含量约20wt％，Cr含量约10wt％，内层厚度约22μm，由富Cr相组成，Al含量约6wt％，Cr含量约30wt％。

图4为沿涂层截面的Al、Cr元素分布图，从中可以看出：沿深度方向，Al含量具有从高到低的梯度分布特征，Cr元素具有从低到高的梯度分布特征。

实施例结果表明，本发明通过电弧离子镀沉积加真空扩散退火的方法，制备外层富Al、内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，本发明所涉及的这种MCrAlY+AlSiY复合涂层有效地提高了涂层表层中Al存储相含量和Si的含量，并在涂层内层形成了富Cr层，从而可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。该复合涂层及其制备方法可应用于Ni基高温合金的防护。

Claims

1.一种MCrAlY+AlSiY复合涂层，其特征在于：在常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，形成外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层，该复合涂层表层Al元素浓度为18～22wt％，内层Cr元素浓度为28～45wt％；

所述常规MCrAlY涂层合金体系成分，按质量百分比计，Co：0～40％，Cr：15～40％，Al：6～16％，Y：0.1～1％，Si：0～2％，B：0.01～0.03％，Ni为余量；

所述AlSiY涂层合金体系成分，按质量百分比计，Si：7～14％，Y：0＜Y≤2％，Al：余量。

2.按照权利要求1所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)电弧离子镀制备常规MCrAlY涂层；

2)在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层；

3)真空扩散退火，最终获得外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。

3.按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，采用电弧离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层时，首先将真空室真空预抽至2×10^-3～1×10^-2Pa，通入Ar气，使真空室压强升至5×10^-2～3×10^-1Pa；然后对样品进行预溅射轰击清洗，靶基距为230～250mm，脉冲偏压为-800～-1000V，占空比20～40％，时间2～5min；再沉积MCrAlY涂层，靶基距为230～250mm，弧电压20～25V，弧电流50～70A，脉冲偏压为-150～-300V，占空比20～40％，沉积温度300～400℃，涂层厚度为40～60μm。

4.按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于：在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层时，沉积工艺参数同沉积常规MCrAlY涂层，沉积的AlSiY涂层厚度为7～15μm。

5.按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，将得到的MCrAlY+AlSiY复合涂层进行真空热处理：真空扩散退火，真空扩散退火时，温度为950～1050℃，保温时间3～5h，随炉冷却至室温，得到外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。

6.按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，沉积前需对试样进行预处理，将基材试样打磨至Ra＝0.4μm，采用60～220目空心玻璃丸湿喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精漂洗后烘干。