CN105350042A - 涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法 - Google Patents

涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法，也即涉及具有单一物相的铂改性铝化物合金层材料及其制备方法。它可以提高高温合金（钛合金、镍基合金等）抗氧化性能，扩大在该领域中的应用。所述铂改性铝化物合金层材料由单相b-（Ni，Pt）Al构成，具有外生长结构，以及含量为5～15at%的Pt。如上所述单相合金层材料的制备方法包括如下步骤：高温合金表面电化学抛光步骤，电镀Ni、Pt步骤，高活性Al原子沉积步骤。所述单相合金层材料为高温合金提供较高的抗氧化性，具有高的热稳定性和抗热机械疲劳性能。

Description

涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法，也即具有单一物相的铂改性铝化物合金层材料的制备方法。属于高温合金表面处理技术领域。本发明可扩大高温合金（钛合金、镍基合金等）在抗氧化性能领域中的应用。
背景技术
高温合金因其优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，被应用于航空航天、汽车工业、海洋工程、石油化工、医疗卫生等领域（如汽车发动机部件；汽车增压器涡轮等高温部件）。但是高温合金的工作环境极其复杂。基于能源和环境角度考虑，提高燃料利用率，减少废气排放，延长高温合金的使用寿命，要求高温合金具有更高的使用温度和抗高温氧化性能、抗热机械疲劳性能。
随着汽车工业的迅速发展，密度小、强度高、耐热的钛合金材料在汽车工业领域中的应用已得到高度重视。钛合金在汽车发动机上的应用，不仅减重，提高发动机效率，延长寿命，而且减少维修次数，具有很大的开发价值。然而通用钛合金的抗高温氧化性能较差，严重限制了其应用范围的进一步扩大。所以采用有效的方法来提高钛合金的抗高温氧化性能具有重要意义。
涡轮增压器在汽车工业中的应用已成为提高发动机效率，较少废气排放的有效手段。然而由于增压涡轮工作温度高，转速高，叶片极易受到高温燃气腐蚀，存在着很大的安全隐患。迫于安全和经济效益的角度考虑，提高增压涡轮叶片的抗氧化性和热稳定性就显得尤为重要，尤其是废气增压涡轮器。
但是，目前的研究主要在于高温合金的力学性能研究，合金元素对其性能的影响，掺杂元素对高温合金进行改性以及加工制造方法研究。对于在高温合金表面增加掺杂元素改性抗氧化合金层的研究少见报道，而关于具有单一物相的改性抗氧化合金层及其制备方法尚未见相关报道。
综上所述，本领域缺乏一种具有单一物相的改性抗氧化合金层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法，其特征在于具有如下的制备过程和步骤:
1)高温合金表面电镀的前处理
首先将高温合金基体经砂纸打磨后，超声清洗；然后进行电化学抛光；
A.对高温合金为镍基合金的电化学抛光：选用电压范围12～14V，用铅片做阴极，用60～80%硫酸溶液，通电时间≥1min；
B.对高温合金为钛合金的电化学抛光：选用电压范围50～70V，用石墨片做阴极，用混合酸，即HF(40%):HNO3(67%)=1:3，通电时间≥30s；
2）电镀Ni、Pt
将上述的高温合金基片放于弱碱性溶液（即Na2CO3溶液）中超声清洗30～40min，然后用酒精清洗吹干；然后分别镀Ni和镀Pt；
电镀Ni:用石墨片做阳极，放于电镀液中，电镀液的组成为：氯化镍180±10g/L，硼酸40±2g/L，十二烷基硫酸钠0.1±0.02g/L；温度：50～75°C；pH:3.5～5；电流密度为1～5A/dm2；
电镀Pt：用99.9%的Pt片做阳极，放于电镀液中，电镀液的组成为二亚硝基二氨铂32±2g/L，碳酸钠80±5g/L，乙酸钠100±10g/L；连成回路，直流恒压沉积Pt层；电压选用范围1.5～2.5V，温度65～75°C;pH9～10,时间1.5～2h;
3）高活性Al原子沉积
将上述电镀Ni，Pt后的试样首先置于真空或惰性气氛保护环境中，在高温900～1100°C预扩散5～8h；然后将试样置于含有AlCl3粉末的高温管式气氛炉中，在900°C～1100°C，和H2/Ar混合气氛（或其他还原性气氛）中，保温时间6～8h。最终得到单相合金层β-（Ni，Pt）Al。
本发明的特点和机理：
1.采用电化学抛光的方法对高温合金表面进行处理，效率高，得到的表面平整、清洁，表面原子活性高，利于电镀时镍、铂原子的沉积。
2.采用P盐、乙酸钠、碳酸钠配制的电镀液，镀液稳定，操作方便，能得到厚度大于10mm的均匀致密Pt层，且与基底结合牢固，有利于提高下一步生成的单相合金层与基底间结合力。
3.具有单一结晶相的铂改性铝化物合金层,具有外生长结构，能为高温合金提供更好的抗氧化性和抗热机械疲劳性能。
4.具有单一结晶相的铂改性铝化物合金层，其特点在于结晶相单一、纯净，高温环境中稳定的物相与显微结构,为高温合金提供更高的热稳定性。
5.采用单相作为抗氧化合金层，能够显著提高高温合金的使用温度，延长持用寿命。
附图说明
图1为电镀铂后的合金基片试样截面形貌SEM照片。从图中可以看出镀铂层均匀，与镍片结合的界面处接触良好，经测量厚度≥10mm。
图2为(a)有单相铂改性铝化物抗氧化合金层保护与(b)无合金层保护热循环氧化后的表面形貌对比。从图中可以看出经过热循环腐蚀后，单相铂改性铝化物抗氧化合金层比表面裸露的高温合金表现出更加优异的抗氧化性能。
图3为单相铂改性铝化物抗氧化合金层的截面形貌SEM照片及元素线扫描结果分析图，从图中可看出其生长方式为外生长。
图4为热循环氧化后的单相铂改性铝化物抗氧化合金层截面线扫描结果分析图，从图中可看出元素相对含量变化不大，表明其在热循环中具有较高的热稳定性。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例一：
1）镍基合金表面电镀的前处理
首先将镍基合金（50*50mm）经砂纸打磨后，超声清洗，用直流电源恒压12V，用铅片做阴极，放于硫酸溶液(100ml浓硫酸，80ml去离子水)中，通电2min。
2）电镀Ni、Pt
将上述的基片放于Na2CO3溶液中超声清洗30min，然后用酒精清洗吹干。用99.9%的Pt片做阳极，放于电镀液（2.5gP盐，8.2g乙酸钠，10.6g碳酸钠,100ml去离子水）中连成回路，直流恒压1.8V，温度60°C，pH=9,时间4.5h。
3)高活性Al原子沉积
将上述电镀Ni、Pt的试样置于真空环境900°C，时间5h。然后置于含有0.4gAlCl3粉末的管式气氛炉中，980°C，H2/Ar混合气氛，时间4h。
实施例二：
1）钛合金表面电镀的前处理
首先将钛合金（50*50mm）经砂纸打磨后，超声清洗；
用恒压直流电源70V，用石墨做阴极，形成电解回路，放于95%冰醋酸、5%高氯酸混合液中，通电时间10s，阳极高温合金发生氧化反应，使表面形成化学活性基团，提高后续Ni、Pt沉积的效率钛合金表面电化学抛光步骤
2）电镀Ni、Pt
将上述的基片放于Na2CO3溶液中超声清洗30min，然后用酒精清洗吹干。
电镀Ni:用石墨片做阳极，放于电镀液（200g/L氯化镍，40g/L硼酸，0.1g/L十二烷基硫酸钠）中;温度：50°C；pH:3.5～4.5；电流密度为1A/dm2
电镀Pt：用99.9%的Pt片做阳极，放于电镀液（3.2gP盐，8.2g乙酸钠，10.6g碳酸钠,100ml去离子水）中连成回路，直流恒压1.8V，温度70°C，pH≥9,时间3h。
3）高活性Al原子沉积
将上述电镀Ni、Pt的试样置于真空环境900°C，时间5h。然后置于含有0.5gAlCl3粉末的管式气氛炉中，1020°C，H2/Ar混合气氛，时间6h。在该条件下，气化的高活性Al原子不断沉积在Pt层表面的同时，电镀层中的Ni、Pt向外扩散进沉积的Al层，形成外生长结构的单相合金层材料。

Claims (1)

1.一种涂覆于高温合金表面的β-（Ni，Pt）Al单相合金层的制备方法，其特征在于具有如下的制备过程和步骤:
1)高温合金表面电镀的前处理
首先将高温合金基体经砂纸打磨后，超声清洗；然后进行电化学抛光；
A.对高温合金为镍基合金的电化学抛光：选用电压范围12～14V，用铅片做阴极，用60～80%硫酸溶液，通电时间≥1min；
B.对高温合金为钛合金的电化学抛光：选用电压范围50～70V，用石墨片做阴极，用混合酸，即HF(40%):HNO3(67%)=1:3，通电时间≥30s；
2）电镀Ni、Pt
将上述的高温合金基片放于弱碱性溶液（即Na2CO3溶液）中超声清洗30～40min，然后用酒精清洗吹干；然后分别镀Ni和镀Pt；
电镀Ni:用石墨片做阳极，放于电镀液中，电镀液的组成为：氯化镍180±10g/L，硼酸40±2g/L，十二烷基硫酸钠0.1±0.02g/L；温度：50～75°C；pH:3.5～5；电流密度为1～5A/dm2；
电镀Pt：用99.9%的Pt片做阳极，放于电镀液中，电镀液的组成为二亚硝基二氨铂32±2g/L，碳酸钠80±5g/L，乙酸钠100±10g/L；连成回路，直流恒压沉积Pt层；电压选用范围1.5～2.5V，温度65～75°C;pH9～10,时间1.5～2h;
3）高活性Al原子沉积
将上述电镀Ni，Pt后的试样首先置于真空或惰性气氛保护环境中，在高温900～1100°C预扩散5～8h；然后将试样置于含有AlCl3粉末的高温管式气氛炉中，在900°C～1100°C，和H2/Ar混合气氛（或其他还原性气氛）中，保温时间6～8h，最终得到单相合金层β-（Ni，Pt）Al。
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