CN113278968A - 一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层及其制备方法，属于镍基高温合金涂层技术领域。该涂层成分按重量百分数含有如下组分：51.22％wt.％的Ni，18.15％wt.％的Cr，5.15wt.％的Nb，3.26wt.％的Mo，1.16wt.％的Ti，0.4wt.％‑9wt.％的Al，0.6wt.％的Co和0‑5wt.％的Si，余量为铁以及一些不可避免的杂质，基体选用H13热作模具钢，制备方法为等离子熔覆。本发明制备的高温合金涂层具有更好的高温抗氧化性能、更高的显微硬度、高温下多层抗氧化层、制备简单以及成本较低等特点。

Description

一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层及 其制备方法

技术领域

本发明属于镍基高温合金涂层技术领域，具体涉及一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展和进步，对材料的高温性能提出了越来越高的要求，Inconel718合金主要由镍、铁、铬、铌等元素组成，具有很好的耐磨、耐蚀性和机械性能，可在650～1000℃完美工作，是目前航空、航天等领域应用量最大、应用最为广泛的高温合金材料，但是在1000℃以上抗氧化性能不佳。在实际应用中，氧化原因导致关键零件的报废数量众多，良好的抗高温氧化性能材料也具有重要地位。但是更高性能的材料往往成本也更加高昂，因此，如何降低材料成本和修复材料是极有意义的，在廉价材料表面制备符合性能要求的涂层以及对破损材料进行有效修复是降低材料成本的重要手段。

发明内容

离子熔覆技术作为常用的涂层制备手段，利用等离子转移弧做为主要热源，粉末通过氩气的喷射带出，粉末经过等离子弧时被其高热量所熔融，与此同时，由于等离子弧的高温，工件表面熔化形成熔池。在高速气体的带动下，熔融合金颗粒熔覆在工件表面，随着等离子弧的离开，熔融金属快速冷却凝固形成涂层。本发明提出一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层成分及其制备方法，通过等离子熔覆技术在H13钢表面制备镍基涂层，观察涂层组织和微观结构，分析涂层材料孔隙率和物相组成，测试其抗高温氧化性能，研究Al、Si复合添加和等离子熔覆工艺参数对涂层组织及性能的影响。

本发明所要解决的第一个技术问题是：为了降低材料成分，如何在廉价材料表面制备符合性能要求的涂层以及对破损材料进行有效修复，并且提升Inconel 718合金高温抗氧化性，由此提出一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性Inconel 718镍基高温合金涂层成分。

一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，该涂层元素成分包括：51.22％wt.％的Ni、18.15％wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％-9wt.％的Al、0.6wt.％的Co和0-5wt.％的Si，余量为铁以及不可避免的杂质。

进一步地，所述涂层元素成分包括：51.22％wt.％的Ni、18.15％wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、6wt.％的Al、0.6wt.％的Co和2wt.％的Si，余量为铁以及不可避免的杂质。

本发明所要解决的第二个技术问题是：为了获得大面积并且可靠的涂层，由此提出一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层成分的制备方法。

一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层的制备方法，所述涂层的制备方法为等离子熔覆技术。

进一步地，所述等离子熔覆技术工艺参数为：离子气体流量1.5-2L/min，保护气体流量15L/min，熔覆电流为100-120A，熔覆行走速度为3-5cm/min，送粉气体流量为2L/min，递进距离3-5mm，送粉转速8-10r/s。

进一步地，所述等离子熔覆技术使用的设备为等离子弧粉末堆焊机，型号为DML-03AD。

进一步地，所述等离子熔覆技术包括以下工艺：开氩气→开冷却水→开主机→粉末入送粉器→设置参数→工件表面清洗→加载程序→焊枪与工件坐标设置→程序复位→检查主机→起弧→熔覆→结束。

作为本发明的优选方案，γ＇具有良好的强度和形变能力，在镍基合金中主要以Ni3Al形式存在，Al含量的提高会生成更多的γ＇相，进而提高镍基合金的高温强度。此外在高温合金中，Al元素在高温氧化过程中能快速生成致密氧化铝保护膜，阻止合金的进一步氧化，因此适当的提高Al元素的含量有利于镍基合金的高温强度以抗高温氧化能。Inconel718合金中Al元素含量在0.2wt.％～0.8wt.％，在镍基多元合金系中，Al含量的提高可以镍基合金的高温蠕变强度，在多元合金化的环境下，合金化元素越多，Al含量就越加接近6wt.％，产生绕度的时间也就越长。由于Inconel 718中Ni含量的限制，若Ni全部与Al生成γ＇相，Al含量也不能超过9wt.％。合理的Si的引入对于镍基合金的抗高温氧化性能是有利的，Si的有利作用是促进Cr₂O₃的形成，并在金属与Cr₂O₃之间生成一层SiO₂夹层，吸收空位，防止界面产生空洞。此外Si会抑制β相，促进γ＇相的生长，富Si的γ＇相抗热腐蚀能力随Si含量的增加而大幅提高。然而考虑到Si的合金化会提高大多数合金的脆性，因此Si的含量不应过高，综合考量，将Si含量确定为0-5wt.％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过等离子熔覆技术，采用多道熔覆以及优化后的工艺参数，彼此搭接形成小平面，获得了大面积的镍基高温合金涂层，并且通过Al、Si元素的复合添加改性Inconel 718涂层，极大的促进了γ＇相和硬质相的析出，改善了涂层的微观组织，短而粗的树枝晶又转变为细长树枝晶，并且大量有益的γ＇相和硬质相的析出，能有效提升涂层的硬度。Inconel 718+Al、Si涂层在1100℃及以下具有完全抗高温氧化性能，相比于Inconel718只能在1000℃以下具有完全抗高温氧化性能，Inconel 718+Al、Si涂层性能得到极大提升，其在各个温度下生成的氧化膜均为Al₂O₃。1000℃的等温氧化的氧化动力曲线表明，氧化过程分为快速氧化及稳定氧化两个阶段。氧化增重大多在快速氧化阶段完成，Inconel 718+Si+Al涂层的两个阶段的氧化速率均低于Inconel 718涂层一个数量级。因此本发明的抗高温氧化的Al、Si复合添加改性Inconel 718镍基高温合金涂层成分及其制备方法，具有更好的高温抗氧化性、并且易于制备、工艺参数可靠、硬度更高。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的添加6％Al和2％Si复合改性镍基高温合金涂层与基体结合部位的截面SEM图。

图2是本发明实施例1制备得到的添加6％Al和2％Si复合改性镍基高温合金涂层和Inconel 718镍基高温合金涂层的截面显微硬度曲线。

图3是Inconel 718镍基高温合金涂层1000℃等温氧化增重及氧化增重平方与时间关系。

图4是本发明实施例1制备得到的添加6％Al和2％Si复合改性镍基高温合金涂层1000℃等温氧化增重及氧化增重平方与时间关系。

图5是本发明实施例1制备得到的添加6％Al和2％Si复合改性镍基高温合金涂层1000℃等温氧化各个时间段的氧化表面的XRD。

图6是本发明实施例1制备得到的添加6％Al和2％Si复合改性镍基高温合金涂层1000℃等温氧化各个时间段的氧化截面形貌图，其中(a)5h；(b)10h；(c)15h；(d)20h；(e)25h；(f)100h。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1

一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，成分如表1所示(重量百分比，wt.％)。

表1：合金粉末成分(wt.％)

将混合均匀的粉末放入干燥箱进行90～110℃/1h烘干，待用。等离子熔覆过程中，送粉方式为同步送粉。熔覆设置为：摆幅宽度为15mm，摆幅速度为300mm/min，离子气体流量为1.5L/min，保护气体流量为15L/min，熔覆电流为100A，熔覆行走速度为3cm/min，递进距离为3mm，送粉气体流量为2L/min，本实验使用的设备为等离子弧粉末堆焊机，型号为DML-03AD。

制备流程：开Ar气→开冷却水→开主机→粉末入送粉器→设置参数(包括熔覆工艺参数、机器手行走、摆幅等参数)→工件表面清洗→加载程序→焊枪与工件坐标(起始点)设置→程序复位→检查主机→起弧→熔覆→结束。通过以上制备流程，制备6％Al和2％Si改性Inconel 718镍基高温合金涂层以及用来对比的Inconel 718镍基高温合金涂层。

在涂层区域，使用线切割取出带有基体的样品，制备金相，分析XRD、SEM、EDS检测。图1是涂层与基体结合部位的截面SEM图，可以看出涂层与基体结合紧密，无空洞和间隙，说明涂层制备工艺和参数可行。同时测试样品硬度，显微硬度计载荷使用100g，保载15s，在涂层截面测量涂层显微硬度，为避免误差，每个位置的硬度取三次。Al、Si改性Inconel 718涂层平均硬度为395.2HV，相较于Inconel 718涂层提高了136％。

用线切割将涂层从基体上剥离，切成10mm×10mm×3mm大小的样品进行高温氧化实验。将无基体的纯涂层样品6个表面用砂纸打磨至2000目，用酒精在超声波机器中清洗1min，用吹风机吹干，坩埚在使用前按照标准处理，使用游标卡尺及分析天平记录每个涂层样品的尺寸，质量以及涂层带坩埚质量。按上述操作处理后，将涂层及坩埚置于高温炉中分别进行800℃，900℃，1000℃，1100℃高温循环氧化实验，每隔10h取出称重后放回高温炉进行下一次氧化，氧化增重结果按照标准处理。根据循环氧化实验结果，制备好的Si改性Inconel 718涂层800～1100℃100h后的循环氧化增重以及平均氧化速率如表2所示。

表2：800～1100℃100h后的循环氧化增重以及平均氧化速率

用线切割将涂层从基体上剥离，切成5mm×5mm×3mm大小的样品观察涂层的氧化过程，将每种成分的涂层准备10个小样，用砂纸将样品6个表面打磨至2000目，用游标卡尺测量样品尺寸，按上述操作清理样品表面，处理坩埚，对样品以及带涂层坩埚称重，记录后开始进行等温氧化实验，由于氧化增重大多在前25h内完成，因此前25h小时内每隔5h取出一个样称重，样品不放回，然后在25～55h内每隔10h小时取出称重一次，最后在75h、100h取出样品，称重并记录。图3为Inconel 718+Si+Al涂层在1000℃静态空气中氧化100h后的氧化增重曲线，在100h后氧化增重约为0.4785mg·cm^-2。可以看出Inconel 718+Si+Al涂层也遵循抛物线规律，因此同样制作Inconel 718+Si+Al涂层的(ΔW)²与时间t的关系图。可以看到氧化增重在20h小时内基本已经完成，将氧化增重分为两段，快速氧化阶段的氧化速率k_p1为5.4×10^-4mg²·cm^-4·h^-1，稳定氧化阶段的氧化速率k_p2为1.134×10^-6mg²·cm^-4·h^-1。对比于Inconel 718涂层，两段氧化阶段均低于一个数量级。Al₂O₃相对于Cr₂O₃以及SiO₂更稳定，Al的选择性氧化生成了致密的Al₂O₃保护膜，在1000℃极少脱落甚至没有脱落。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，其特征在于，该涂层元素成分包括：51.22％wt.％的Ni、18.15％wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、0.4wt.％-9wt.％的Al、0.6wt.％的Co和0-5wt.％的Si，余量为铁以及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述涂层元素成分包括：51.22％wt.％的Ni、18.15％wt.％的Cr、5.15wt.％的Nb、3.26wt.％的Mo、1.16wt.％的Ti、6wt.％的Al、0.6wt.％的Co和2wt.％的Si，余量为铁以及不可避免的杂质。

3.制备如权利要求1或2所述一种抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述涂层的制备方法为等离子熔覆技术。

4.根据权利要求3所述等离子熔覆技术制备抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述等离子熔覆技术工艺参数为：离子气体流量1.5-2L/min，保护气体流量15L/min，熔覆电流为100-120A，熔覆行走速度为3-5cm/min，送粉气体流量为2L/min，递进距离3-5mm。

5.根据权利要求4所述等离子熔覆技术制备抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述等离子熔覆技术使用的设备为等离子弧粉末堆焊机，型号为DML-03AD。

6.根据权利要求4所述等离子熔覆技术制备抗高温氧化的Al、Si复合添加改性镍基高温合金涂层，其特征在于，所述等离子熔覆技术包括以下工艺：开氩气→开冷却水→开主机→粉末入送粉器→设置参数→工件表面清洗→加载程序→焊枪与工件坐标设置→程序复位→检查主机→起弧→熔覆→结束。

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