CN102627405B - 一种应用于镍基合金表面的微晶玻璃涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于镍基合金表面的微晶玻璃涂层及其制备方法。制备该微晶玻璃涂层的原料组成为：30-40质量份的二氧化硅，10-15质量份的氧化镁，15-25质量份的氧化铝，10-15质量份的二氧化钛，5-15质量份的氧化硼，10-20质量份的碳酸钠或15-25质量份的碳酸氢钠以及0.5-1.5质量份的镍，制备方法包括原料的准备、原料的熔制、玻璃熔块的制备、玻璃料浆的制备、镍基高温合金表面的预处理、玻璃料浆的涂覆以及玻璃涂层的核化和晶化处理。本发明制备微晶玻璃涂层所需的原料成本低，工艺简单易行，涂层的高温抗氧化能力好，而且涂层与基体结合紧密。
Description
技术领域
本发明涉及防护涂层技术，具体地说，涉及一种应用于镍基合金表面的高温抗氧化耐腐蚀微晶玻璃涂层及其制备方法。
背景技术
镍基高温合金是航空发动机等各种热部件所使用的主要材料，同时，它还在燃气机轮、火力发电和原子能工业领域获得广泛应用。随着科学和工业技术的发展，这些领域的部分构件的使用温度在不断提高。尤其是在航空航天领域，为了提高飞机的机动能力和经济效益等，要求增大涡轮发动机的推重比或推前比，热端部件的使用温度要求越来越高，已经达到高温合金和单晶材料的极限温度。以燃气轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室为例，它们处于高温氧化和高温气流冲蚀等恶劣环境中，承受温度高达1100℃，已超过了高温镍合金使用的极限温度(1075℃)。因此，提高镍基高温合金部件的耐高温等性能非常必要。
研究发现，将金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐高温的优点结合起来所制备出的热障涂层能够解决上述问题。热障涂层是一层陶瓷涂层，它沉积在粘结层的表面，对基底材料起到隔热作用，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行。实验表明，热障涂层在燃气涡轮发动机上应用时具有以下优点：(1)在基体金属温度不变的情况下可以提高燃气的温度，从而提高效率和寿命；(2)热障涂层可使冷却空气减少，为发动机总压比的提高提供了条件，而发动机总压比的提高可显著降低燃油消耗；(3)热障涂层可以减缓热迁移，减少热疲劳，同时具有抗氧化性、耐腐蚀和耐磨损等特点。
目前，MCrAlY型涂层作为粘结层在这一领域的应用最为广泛，对MCrAlY型涂层的研究也较为活跃。
例如，中国发明专利CN102115866A公开了一种镍基高温合金用NiCrAlY涂层，所述涂层满足下述要求：含8wt％-25wt％的Cr、30wt％-40wt％的Al和0.3wt％-1.5wt％的Y。该涂层能有效提高高温合金零件的使用寿命，能够在1100℃以下的环境中，有效提高基体的抗氧化性能，在900℃以下，含有Cl-的热腐蚀环境中，提高基体抗热腐蚀的性能。
中国发明专利CN1536033公开了一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀高温防护涂层及其制备方法。所述涂层中各元素的含量为Co：28-35wt.％，Cr：17～23wt.％，Al：5～12wt.％，Y：0.1～0.6wt.％，Si：0.9～1.1wt.％，B：0.02～0.04wt.％，Ni：余量。采用电弧离子镀技术制备这种防护涂层，所得涂层的抗热腐蚀及高温氧化性好，生产效率高。
但是，上述涂层的缺点是原料成本高，工艺复杂，且TGO层的生长限制了涂层的使用寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一，是提供一种应用于镍基合金表面的微晶玻璃涂层，制备该微晶玻璃涂层的原料组成为：30-40质量份的二氧化硅，10-15质量份的氧化镁，15-25质量份的氧化铝，10-15质量份的二氧化钛，5-15质量份的氧化硼，10-20质量份的碳酸钠或15-25质量份的碳酸氢钠以及0.5-1.5质量份的镍。
本发明的目的之二，是提供一种微晶玻璃涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料的准备：
称取所需原料，研磨后充分混合；
(2)原料的熔制：
将混合原料置于坩埚中，然后放入马弗炉中升温至1300-1500℃加热，得到玻璃熔液，保温待用；
(3)玻璃熔块的制备：
将步骤(2)所得玻璃熔液倒入预热至500-600℃的钢板模型中，立即放入温度为500-600℃的马弗炉内，随炉冷却至室温，得到玻璃熔块；
(4)玻璃料浆的制备：
将步骤(3)所得玻璃熔块粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100质量份玻璃熔块计，加入15-20质量份的玻璃粉，25-30质量份的去离子水和50-70质量份的刚玉球，球磨10-30分钟，然后加入0.5-1.5质量份的镍粉，继续球磨得到玻璃料浆，陈化待用；
(5)镍基合金表面的预处理：
用砂纸将镍基合金表面打磨平滑，先用碱水清洗，然后用去离子水清洗，并干燥；
(6)玻璃料浆的涂覆：
将步骤(4)所得玻璃料浆涂覆在步骤(5)所得合金的表面，并干燥；
(7)玻璃涂层的核化和晶化处理：
将步骤(6)所得涂有玻璃料浆涂层的镍基合金置于马弗炉中，在1100-1150℃的温度下加热4-6min，然后取出转移至300-500℃的马弗炉内，随炉冷却至室温得到含有少量微晶的玻璃涂层，再将马弗炉内温度升至800-850℃，保温3-5h，进行核化和晶化处理，即得所需微晶玻璃涂层。
优选地，步骤(2)所述的升温速度为10℃/min。
优选地，步骤(2)所述的保温时间为40-90min。
优选地，步骤(4)所述球磨罐的转速为200-500转/min，加入镍粉后的球磨时间为8-12小时。
优选地，步骤(6)所述玻璃料浆涂层的厚度为1mm-1.5mm。
本发明的有益效果在于：本发明所述微晶玻璃涂层的配方和制备方法，原料丰富，成本低，工艺简单易行，在镍基高温合金表面涂覆的微晶玻璃涂层，可以有效提高基体的抗氧化能力，并且涂层与基体结合牢固，具有优良的保护性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，应当指出的是，下述实施例并不构成对本发明保护范围的限制。
实施例1
(1)用电子天平称取30g二氧化硅，10g氧化镁，25g氧化铝，10g二氧化钛，15g氧化硼，10g碳酸钠，研磨后充分混合；
(2)将混合原料置于刚玉坩埚中，然后放入马弗炉中，以V＝10℃/min的升温速率升温至1300℃，得到玻璃熔液，保温90min；
(3)将步骤(2)所得玻璃熔液倒入预热至500℃的钢板模型中，立即放入温度为500℃的马弗炉内，随炉冷却至室温，得到玻璃熔块；
(4)将步骤(3)所得玻璃熔块粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，加入15g玻璃粉，25g去离子水和50g刚玉球，球磨10分钟，球磨罐的转速为500转/min，然后加入1.5g镍粉，继续球磨8小时，得到玻璃料浆，陈化待用；
(5)取镍基高温合金DZ125，用砂纸将合金表面打磨平滑，用显微镜观察可以看到均匀的条纹；将合金试样放入60℃的碱水中超声清洗10min，取出再放入80℃的碱水中超声清洗10min后，转移至去离子水中超声清洗3次共30min，然后干燥；
(6)将步骤(5)所得镍基合金水平固定放置，用细刷子蘸取玻璃料浆均匀涂覆于镍合金表面，待水分自然挥发5min后继续刷涂至原始涂层厚度达到1mm，将所得原始涂层置于半封闭条件下自然干燥15h，再转移至干燥箱中在80℃下继续干燥5h。
(7)将步骤(6)所得涂有玻璃涂层的镍基合金置于马弗炉中，在1100℃的温度下加热6min，然后取出转移至500℃的马弗炉内，随炉冷却至室温得到含有少量微晶的玻璃涂层，再将马弗炉内温度升至800℃，保温5h，进行核化和晶化处理，即得所需微晶玻璃涂层。
实施例2
(1)用电子天平称取40g二氧化硅，15g氧化镁，15g氧化铝，10g二氧化钛，5g氧化硼，15g碳酸氢钠，研磨后充分混合；
(2)将混合原料置于刚玉坩埚中，然后放入马弗炉中，升温至1500℃，得到玻璃熔液，保温40min；
(3)将步骤(2)所得玻璃熔液倒入预热至600℃的钢板模型中，立即放入温度为600℃的马弗炉内，使玻璃熔液随炉冷却至室温，得到玻璃熔块；
(4)将步骤(3)所得玻璃熔块粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，加入20g玻璃粉，30g去离子水和70g刚玉球，球磨30分钟，球磨罐的转速为200转/min，然后加入0.5g镍粉，继续球磨12小时，得到玻璃料浆，陈化待用；
(5)取镍基高温合金DSM11，用砂纸将合金表面打磨平滑，用显微镜观察可以看到均匀的条纹；将合金试样放入80℃的碱水中超声清洗20min，转移至去离子水中超声清洗3次共30min，然后干燥；
(6)将步骤(5)所得镍基合金水平固定放置，用细刷子蘸取玻璃料浆均匀涂覆于镍基合金表面，待水分自然挥发10min后继续刷涂至原始涂层厚度达到1.5mm，将所得原始涂层自然干燥15h，转移至干燥箱中在80℃下继续干燥5h，除去绝大部分水分；
(7)将步骤(6)所得涂有玻璃涂层的镍基合金置于马弗炉中，在1150℃的温度下加热4min，然后取出转移至300℃的马弗炉内，随炉冷却至室温得到含有少量微晶的玻璃涂层，再将马弗炉内温度升至850℃，保温3h，进行核化和晶化处理，即得所需微晶玻璃涂层。
实施例3
(1)用电子天平称取33g二氧化硅，10g氧化镁，15g氧化铝，12g二氧化钛，10g氧化硼，20g碳酸钠，研磨后充分混合；
(2)将混合原料置于刚玉坩埚中，然后放入马弗炉中，以V＝10℃/min的升温速率升温至1350℃，得到玻璃熔液，保温60min；
(3)将步骤(2)所得玻璃熔液倒入预热至550℃的钢板模型中，立即放入温度为550℃的马弗炉中，随炉冷却至室温，得到玻璃熔块；
(4)将步骤(3)所得玻璃熔块粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100质量份玻璃熔块计，加入15质量份的玻璃粉，30质量份的去离子水和60质量份的刚玉球，球磨20分钟，球磨罐的转速为400转/min，以100质量份玻璃熔块计，加入1.0质量份的镍粉，继续球磨10小时，得到玻璃料浆，然后陈化待用；
(5)取镍基高温合金M22，用砂纸将合金表面打磨平滑，用显微镜观察可以看到均匀的条纹；将合金试样放入70℃的碱水中超声清洗10min，取出再放入85℃的碱水中超声清洗10min后，转移至去离子水中超声清洗3次，然后干燥；
(6)将步骤(5)所得镍合金水平固定放置，用细刷子蘸取玻璃料浆均匀涂覆于镍合金表面，待水分自然挥发15min后继续刷涂至原始涂层厚度达到1.2mm，将所得原始涂层置于干燥箱中在100℃下干燥6h；
(7)将步骤(6)所得涂有玻璃涂层的镍基合金置于马弗炉中，在1120℃的温度下加热5min，然后取出转移至400℃的马弗炉内，随炉冷却至室温得到含有少量微晶的玻璃涂层，再将马弗炉内温度升至820℃，保温4h，进行核化和晶化处理，即得所需微晶玻璃涂层。
实施例4
(1)用电子天平称取30g二氧化硅，10g氧化镁，15g氧化铝，15g二氧化钛，5g氧化硼，25g碳酸氢钠，研磨后充分混合；
(2)将混合原料置于刚玉坩埚中，然后放入马弗炉中，升温至1400℃，得到玻璃熔液，保温80min；
(3)将步骤(2)所得玻璃熔液倒入预热至580℃的钢板模型中，立即放入温度为600℃的马弗炉中，随炉冷却至室温，得到玻璃熔块；
(4)将步骤(3)所得玻璃熔块粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100质量份玻璃熔块计，加入20质量份的玻璃粉，25质量份的去离子水和70质量份的刚玉球，球磨25分钟，球磨罐的转速为300转/min，以100质量份玻璃熔块计，加入1.2质量份的镍粉，继续球磨9小时，得到玻璃料浆，然后陈化待用；
(5)取镍基高温合金DZ125，用砂纸将合金表面打磨平滑，用显微镜观察可以看到均匀的条纹；将合金试样放入90℃的碱水中超声清洗30min，转移至去离子水中超声清洗3次，然后干燥；
(6)将步骤(5)所得镍基合金水平固定放置，用细刷子蘸取玻璃料浆均匀涂覆于镍合金表面，待水分自然挥发10min后继续刷涂至原始涂层厚度达到1.4mm，将所得原始涂层置于8干燥箱中在80℃下干燥10h；
(7)将步骤(6)所得涂有玻璃涂层的镍基合金置于马弗炉中，在1140℃的温度下加热6min，然后取出转移至350℃的马弗炉内，随炉冷却至室温得到含有少量微晶的玻璃涂层，再将马弗炉内温度升至840℃，保温3.5h，进行核化和晶化处理，即得所需微晶玻璃涂层。
取实施例1-4涂覆有微晶玻璃涂层的镍基高温合金试样分别经800℃热处理，再取未涂覆微晶玻璃涂层的镍基高温合金DZ125试样，将五种试样称量后置于1000℃的通风环境下保温3h，待自然冷却后再次称量，计算增重量，结果见表1。
表1
从表1所示数据可以看出，涂覆微晶玻璃涂层后，试样的氧化增重明显降低，说明本发明所述微晶玻璃涂层具有良好的抗氧化性能。
Claims (6)
1.一种应用于镍基合金表面的微晶玻璃涂层，其特征在于，制备该微晶玻璃涂层的原料组成为：30-40质量份的二氧化硅，10-15质量份的氧化镁，15-25质量份的氧化铝，10-15质量份的二氧化钛，5-15质量份的氧化硼，10-20质量份的碳酸钠或15-25质量份的碳酸氢钠，且以100质量份的由上述二氧化硅、氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化鹏、碳酸钠或碳酸氢钠制备而成的玻璃熔块计，再加入15-20质量份的玻璃粉，25-30质量份的去离子水，50-70质量份的刚玉球以及0.5-1.5质量份的镍。
2.一种权利要求1所述的微晶玻璃涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）原料的准备：
称取所需原料二氧化硅、氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化鹏、碳酸钠或碳酸氢钠，研磨后充分混合；
（2）原料的熔制：
将混合原料置于坩埚中，然后放入马弗炉中升温至1300-1500℃加热，得到玻璃熔液，保温待用；
（3）玻璃熔块的制备：
将步骤(2)所得玻璃熔液倒入预热至500-600℃的钢板模型中，立即放入温度为500-600℃的马弗炉内，随炉冷却至室温，得到玻璃熔块；
（4）玻璃料浆的制备：
将步骤(3)所得玻璃熔块粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100质量份玻璃熔块计，加入15-20质量份的玻璃粉，25-30质量份的去离子水和50-70质量份的刚玉球，球磨10-30分钟，然后加入0.5-1.5质量份的镍粉，继续球磨得到玻璃料浆，陈化待用；
（5）镍基合金表面的预处理：
用砂纸将镍基合金表面打磨平滑，先用碱水清洗，再用去离子水清洗，然后干燥；
（6）玻璃料浆的涂覆：
将步骤（4）所得玻璃料浆涂覆在步骤（5）所得合金的表面，并干燥；
（7）玻璃涂层的核化和晶化处理：
将步骤(6)所得涂有玻璃料浆涂层的镍基合金置于马弗炉中，在1100-1150℃的温度下加热4-6min，然后取出转移至300-500℃的马弗炉内，随炉冷却至室温得到含有少量微晶的玻璃涂层，再将马弗炉内温度升至800-850℃，保温3-5h，进行核化和晶化处理，即得所需微晶玻璃涂层。
3.根据权利要求2所述的微晶玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤（2）在升温至1300-1500℃时的升温速度为10℃/min。
4.根据权利要求2所述的微晶玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤（2）保温待用的保温时间为40-90min。
5.根据权利要求2所述的微晶玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述球磨罐的转速为200-500转/min，加入镍粉后的球磨时间为8-12小时。
6.根据权利要求2所述的微晶玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述玻璃料浆涂层的厚度为1mm-1.5mm。
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Granted publication date: 20140827 Termination date: 20160330 |
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