CN1103676A

CN1103676A - 镍钴铬铝硅铪钇/铝梯度涂层及双靶溅射工艺

Info

Publication number: CN1103676A
Application number: CN 93120621
Authority: CN
Inventors: 叶锐曾; 于文秀; 陈仁治; 马跃发; 龚杰; 吴显云; 孙金贵; 孙庆标; 宋铂; 杨莲隐; 曹士伟; 崔绍成; 吕反修; 许庆芳; 袁建军
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2013-12-07
Also published as: CN1034350C

Abstract

本发明提供了一种MCrAlX涂层新工艺，其特征在于采用磁控溅射MCrAlX梯度涂层。即用双靶 MCrAlX/Al磁控溅射沉积法将MCrAlX及Al同时沉积在高温合金上，沉积时靶功率逐渐变化，样品不断旋转，从而得到Al浓度逐渐变化的厚度均匀的 MCrAlX包覆梯度涂层，沉积后进行热处理，以增强涂/基结合力。本发明的优点在于涂层晶粒细小，静态氧化抗力高，抗热腐蚀性能好。

Description

本发明属于表面涂层防护技术，特别是提供了一种MCrAlX类涂层技术。

高温防护涂层有渗铝层（第一代）、改型渗铝层（第二代）、MCrAlX包覆型涂层（第三代）及隔热屏障层TBC（***）。本发明属MCrAlX涂层一类，其中M代表Fe、Ni、Co、Ni-Co，Co-Ni等，X代表Y，La、Ce、Hf、Si、Zr、Ta等。MCrAlX涂层成分繁多，根据具体需要而调整，不受基体成分影响，这是它的优点之一。MCrAlX涂层的另一优点是它的塑性比渗Al层等要好，涂层不易剥落，使用寿命长。国内外一般都用电子束物理气相沉积（EB-PVD）及低压等离子喷涂（LppS）技术来制备这类涂层，偶而也有用磁控溅射沉积技术的报道。但未见磁控溅射MCrAlX梯度涂层报道。

本发明的目的在于提供一种铝浓度不断变化的MCrAlX型梯度涂层，使抗氧化性能与抗热腐蚀性能、塑性与脆性得到合理的统一，从而为航空发动机、各类燃气轮机涡轮叶片提供一种综合性能优良的高温防护涂层，也可应用于其它高温零部件。

本发明的构成：

1.用对靶（双靶）MCrAlX/Al磁控溅射沉积法将MCrAlX及Al同时沉积在高温合金（涡轮叶片）上，沉积时靶功率逐渐变化，样品不断旋转，从而得到Al浓度逐渐变化的厚度均匀的MCrAlX包覆梯度涂层。沉积后应进行热处理以增强涂/基结合力，改善涂层组织状态。

2.双靶化学成分（见表）（wt%）

靶名称

M

Cr

Al

X

Ni

Co

Cr

Al

Si

Hf

Y

NiCoCrAlSiHfY靶

基

18～22

16～20

10～15

0.2～1.0

0.1～1.0

Al靶

-

≥99.9

-

MCrAlX靶材采用双真空熔炼及浇注，不应有严重的铸造缺陷。Al靶用锻材加工而成。

3.溅射装置采用JCKD-400型对靶磁控溅射装置，它允许样品（叶片）进行真空高温加热，双靶磁控溅射、工件旋转等，这些参数对制备高质量MCrAlX/Al梯度涂层是必不可少的。也可以利用其它近似的装置。

4.磁控溅射工艺

①装炉及抽真空达到1.33～4.0×10^-2Pa

②高压轰击采用Ar（1.33～4.0Pa），轰击电压600～1500V，轰击电流0.1～1.0A

③样品加热600～1000℃

④溅射偏压-100～400V（负偏压）

⑤激磁电流、电压激磁电流10～20A;激磁电压15～30V

⑥溅射气体为Ar其压强PAr为1.33～10.67×10^-1Pa

⑦靶电流、电压（或靶功率）双靶功率随时间的变化曲线参见示意图

⑧工件旋转沉积时工件旋转以保证涂层均匀

⑨扩散退火在真空或保护气氛下进行，温度700～1000℃，时间1～4h，扩散退火可以消除沉积时柱状晶组织，得到均匀的再结晶（等轴晶）组织，并在涂/基界面形成互扩散层（内层），提高结合力。

通过以上工艺参数控制，可以制备出MCrAlX梯度材料。

本发明的优点在于：

1.通过靶功率不断变化的对靶磁控溅射工艺获得MCrAlX/Al包覆型梯度涂层。根据这一思想可以制备出各种各样的金属梯度材料。

2.所制得的MCrAlX/Al包覆型梯度涂层在抗氧化性能与抗腐蚀性能上，和在脆性与塑性上得到了合理的统一。这一梯度涂层保证Al浓度由内向外逐渐增长，外层Al高，内层Al低（Cr高），从而使外层具有优良的抗氧化性能，内层具有优良的抗热腐蚀性能。巧妙地解决了涂层成分设计上氧化抗力与热蚀抗力对立的矛盾。

3.与真空渗Al层相比，本发明NiCoCrAlSiHfY/Al梯度涂层具有如下优良的性能：

①梯度涂层的晶粒十分细小，因而塑性好;

②950℃/500h静态氧化抗力比渗Al层高出1.25倍;

③优异的抗热腐蚀性能，如700℃/100h熔盐腐蚀试验结果表明，梯度涂层增重为0.52mg/cm²，而渗Al层失重达-2.25mg/cm²。同样850℃/30h的腐蚀试验结果也是梯度涂层远比渗Al层优越。

实施例子

采用磁控溅射方法将NiCoCrAlSiHfY/Al梯度涂层沉积在某航空发动机一级涡轮工作叶片（GH220合金）上，涂层厚度40～50μm。溅射在JCKD-400型对靶磁控溅射装置上进行。靶材化学成分参见上表，主要工艺参数见第1页上本发明的构成部分。

实施例：

1.装置JCKD-400型对靶磁控溅射仪。

2.靶材NiCoCrAlSiHfY/Al，具体成分（wt%）。

①Ni20Col8Crl2、5Al0、6Si0、4Hf0、6Y合金靶。

②纯Al靶。

3.基材镍基变形高温合金GH220（叶片）。

4.对靶磁控溅射工艺

①装炉及抽真空到2.67×10^-2Pa;

②高压轰击PAr2.67Pa，电压800V，电流0.5A;

③叶片加热900～950℃/2～3h;

④溅射负偏压-200V;

⑤激磁电流15A，激磁电压20V;

⑥溅射气体为Ar气，PAr1.33×10^-1Pa;

⑦靶功率随时间变化曲线示于图1：（图见下页）

⑧溅射沉积时工件旋转;

⑨沉积结束后进行热处理，温度900～950℃，时间2～3h。

通过上述工艺参数控制，制备出一种由内向外铝浓度不断变化的NiCoCrAlSiHfY梯度涂层。该涂层主要的组织及性能如下。

①组织超细晶，由β（Ni，Co）Al及γ-NiCo固溶体组成。涂层厚度约40μm，视需要可调。

②氧化性能950℃/500h增重为0.44mg/cm²，氧化膜为α-Al₂O₃

③热腐蚀性能盐成分75%Na₂SO₄-25%NaCl，700℃/100h增重0.52mg/cm²

④涂层对合金力学性能无明显影响，均符合GH220合金技术条件要求。例如室温瞬时拉伸σb为1106MPa;950℃高温拉伸σb为536MPa;940℃22Kgf/mm²下持久寿命近45h;900℃17Kgf/mm²蠕变残余变形为0.1119%;850℃10⁷下疲劳强度为343MPa;900℃ ()/() 20℃及975℃ ()/() 20℃30次循环后的冷热疲劳裂纹长度分别为0.155和0.32mm。上述性能指标均符合技术条件要求，且冷热疲劳性能有明显的改善。涂层对涡轮叶片的振动频率特性亦无影响。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明SiHfY-Al涂层溅射功率曲线横座标为时间（以分钟计），纵座标为功率，单位为KW。

Claims

一种MCrAlX涂层新工艺，其特征在于采用磁控溅射MCrAlX梯度涂层，即：

1、用对靶(双靶)MCrAlX/Al磁控溅射沉积法将MCrAlX及Al同时沉积在高温合金(涡轮叶片)上，沉积时靶功率逐渐变化，样品不断旋转，从而得到Al浓度逐渐变化的厚度均匀的MCrAlX包覆梯度涂层；沉积后进行热处理，以增强涂/基结合力，改善涂层组织状态。
2、根据权利要求1所述的MCrAlX涂层工艺，其特征在于，MCrAlX靶材采用真空熔炼及浇注，Al靶用锻材加工而成，MCrAlX靶（即NiCoCrAlSiHfY靶）的成分为Co：18～22%，Cr：16～20%，Al：10～15%，Si：0.2～1.0%，Hf：0.1～1.0%，Y：0.1～1.0%，基体为Ni，Al靶含Al≥99.9%均为重量百分比）。
3、根据权利要求1或2所述的MCrAlX涂层工艺，其特征在于：溅射装置采用JCKD-400型对靶磁控溅射装置，它允许样品（叶片）进行真空高温加热，双靶磁控溅射、工件旋转等，也可以利用其它近似的装置;磁控溅射工艺为：装炉及抽真空达到1.33～4.0×10^-2Pa，高压轰击采用Ar（1.33～4.0Pa），轰击电压600～1500V，轰击电流0.1～1.0A，样品加热温度为600～1000℃，溅射偏压-100～-400V（负偏压），激磁电流、电压，激磁电流10～20A;激磁电压15～30V，溅射气体为Ar其压强PAr为1.33～10.67×10^-1Pa，靶电流、电压（或靶功率）双靶功率随时间的变化为曲线，沉积时工件旋转以保证涂层均匀。在真空或保护气氛下进行，扩散退火其温度为700～1000℃，时间1～4h。