CN115896674A - 镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法及涂层 - Google Patents

Abstract

本发明提供了镍钴基低温超音速喷涂‑激光伴随强化涂层的制备方法及涂层，用低温超音速喷涂‑激光同步重熔设备制备涂层；制备方法包括：制备合金粉末；用低温超音速喷涂‑激光同步重熔设备中的低温超音速喷枪将所述合金粉末直接喷涂到高温合金基材上形成第一层涂层；用低温超音速喷涂‑激光同步重熔设备中的激光重熔设备对喷涂沉积的第一层涂层进行重熔；按照喷涂‑重熔的方式逐层制备，直至达到要求厚度。本发明的涂层为耐高温耐磨合金涂层，通过对低温超音速喷涂‑激光伴随强化涂层的沉积策略优化，制备出生产成本低，硬度大，耐磨性能好，抗氧化能力强的耐高温耐磨的镍钴基涂层。

Description

镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法及涂层

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体而言是一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法及涂层。

背景技术

在航空发动机和发电燃气轮机的服役过程中，燃烧室、叶片和尾喷管是服役温度最高的部件，并且这些高温部件还要承受发动机在启动和停机时因温度急剧变化产生的热冲击，工作条件极其恶劣，所以它们是决定燃气轮机性能优劣的核心部件。

近年来，随着航空航天事业和能源事业的飞速发展，涡轮发动机热端部件的服役温度越来越高，而燃气轮机的叶片在服役期间不断遭受高温氧化和热腐蚀的破坏，所以为了增加其服役寿命，确保燃气轮机的正常运行，在改进基体高温合金的成分、制备工艺和结构设计之外，给涡轮发动机增加一层保护涂层是十分必要的。NiCoCrAlY涂层通常作为高温合金的防护层或热障陶瓷层的粘结层，涂层中主要相为γ固溶体相和β-NiAl相，目前使用最为广泛的成分是NiCrAlY四元合金涂层，而添加其他合金元素形成的五元或六元NiCrAlY涂层或合金则应用于服役环境更加苛刻的零部件上，例如军民航空发动机的飞机叶片，以及飞机抗压结构零件。

但是零件的耐滑动摩损、磨料磨损和抗冲蚀磨损性能也并不突出，严重影响设备的正常运行甚至危及设备的安全。而贵金属元素或稀土元素(镧、铈和钕等)的加入在微合金化改性NiCoCrAlY涂层中起到了重要作用，但昂贵的价格和稀缺性限制了其应用，不利于大规模生产，制约了此类涂层的实际应用。低成本的难熔金属微合金化逐渐进入人们的视野。如，发明人的在先申请CN112981184B-一种高塑性的耐高温镍基合金粉末中公开了一种高塑性的耐高温镍基合金粉末，但其中未进行合金涂层的制备。

因此，制备一种性能优异的新型难熔金属微合金化高温合金防护涂层具有重要的实际意义。同时，通常的方法是首先采用火焰喷涂设备完成涂层的制备，而后对所制备的涂层进行激光重熔处理，这种方法使涂层与基体发生合金化，虽然能够提升涂层的致密度，但使得涂层成分稀释，降低了其原有的优异性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法及涂层，利用低温超音速喷涂技术的低温特性降低喷涂粉体在涂层制备过程中发生氧化、氮化的风险，同时采用伴随激光重熔技术逐层对新制备涂层进行同步微重熔，即达到消除孔隙率、提高结合强度的技术效果，通过激光重熔功率又能保持涂层原有的成分，从而制备出性能优异的新型难熔金属微合金化高温合金防护涂层。

本发明采用的技术手段如下：

一方面，本发明提供了一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于，用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备制备涂层；所述制备方法包括：

制备合金粉末，所述合金粉末包括以下组份及质量百分比：Ni：36-39％，Co：22％，Cr：18％，Al：12％，Y：1％，Nb：0-4％，Hf：1-4％，Ta：0-3％，Mo：0-4％；

用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备中的低温超音速喷枪将所述合金粉末直接喷涂到高温合金基材上形成第一层涂层；涂层制备条件为喷枪内压力64-74MPa，送粉量47-51g/min，空气压力69-78psi，丙烷压力77-90psi，喷涂距离160-260mm；

用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备中的激光重熔设备对喷涂沉积的第一层涂层进行重熔，激光功率1000-1100W，光斑直径3mm，步进1.2-1.3mm，线能量密度24-43J/mm；

按照喷涂-重熔的方式逐层制备，直至达到要求厚度。

进一步地，涂层的总厚度为350～400μm。

进一步地，镍钴基体系粉末的粒径范围在13～45μm。

进一步地，涂层的显微组织为细小的γ`相、较大的β相等轴晶以及金属间化合物。

进一步地，Ni与Hf的质量百分比之和不超过43％。

进一步地，采用真空雾化制粉设备制备合金粉末。

进一步地，对所述基材喷涂前清洗，表面处理采用喷砂磨料为白刚玉，喷砂喷枪内压力70MPa，磨料大小为180目。

又一方面，本发明还提供了一种根据上述耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法制备的涂层。

本发明的有益效果在于：本发明的涂层为耐高温耐磨合金涂层，通过对低温超音速喷涂-激光伴随强化的沉积策略进行优化，喷涂一层，重熔一层(微熔)，再喷再熔，直至达到要求的涂层厚度，相比传统的制备方法，能够达到消除孔隙率，提高结合强度的技术效果。制备出生产成本低，硬度大，耐磨性能好，抗氧化能力强的耐高温合金涂层，该涂层能够有效的抑制氧气等腐蚀介质向基体的侵入，显著提高了基体的抗高温氧化及热腐蚀的能力；同时难熔金属的微合金化显著地提高了涂层的硬度，有效提高了复合涂层耐磨性能。

基于上述理由本发明可在合金材料等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中带基体的耐高温耐磨镍钴基合金涂层结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本发明实施例提供了一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备制备涂层；具体地，制备方法包括以下步骤：

S1、制备合金粉末，所述合金粉末包括以下组份及质量百分比：Ni：36-39％，Co：22％，Cr：18％，Al：12％，Y：1％，Nb：0-4％，Hf：1-4％，Ta：0-3％，Mo：0-4％；

其中，Ni与Hf的质量百分比之和不超过43％，采用真空雾化制粉设备制备合金粉末。

S2、对基材喷涂前清洗，表面处理采用喷砂磨料为白刚玉，喷砂喷枪内压力70MPa，磨料大小为180目。

其中，镍钴基体系粉末的粒径范围在13～45μm。

S3、用低温超音速喷涂-激光重熔同步设备中的低温超音速喷枪将所述合金粉末直接喷涂到高温合金基材上形成第一层涂层；

其中，涂层制备条件为喷枪内压力64-74MPa，送粉量47-51g/min，空气压力69-78psi，丙烷压力77-90psi，喷涂距离160-260mm；

S4、用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备中的激光重熔设备对喷涂沉积的第一层涂层进行重熔；

其中，激光功率1000-1100W，光斑直径3mm，步进1.2-1.3mm，线能量密度24-43J/mm；

S5、按照S3和S4中的喷涂-重熔的方式逐层制备，直至达到要求厚度。

其中，涂层的总厚度为350～400μm。

上述实施例中，通过对低温超音速喷涂-激光伴随强化的沉积策略进行优化，喷涂一层，重熔一层(微熔)，再喷再熔，直至达到要求的涂层厚度，制备出生产成本低，硬度大，耐磨性能好，抗氧化能力强的耐高温合金涂层，该涂层能够有效的抑制氧气等腐蚀介质向基体的侵入，显著提高了基体的抗高温氧化及热腐蚀的能力；同时难熔金属的微合金化显著地提高了涂层的硬度，有效提高了复合涂层耐磨性能。

基于上述耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，可以制备出强化涂层，涂层的物理性能如下：涂层的显微硬度为550-783Hv；涂层的弹性模量为123～136GPa；1000℃等温氧化的100小时氧化增重为0.23-1.09mg/cm2；涂层的磨损率为1.72·10-7～5.35·10-6mm3N-1m-1，涂层的显微组织为细小的γ`相、较大的β相等轴晶以及金属间化合物。

实施例1：

一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层，合金涂层包括以下组份(质量百分比)：Ni：36％，Co：22％，Cr：18％，Al：12％，Y：1％，Nb：4％，Hf：4％，Ta：3％。

在本实施例中，所述金属镍(Ni)和金属铪(Hf)的总质量百分比为40％。

实施例2：

一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层，合金涂层包括以下组份(质量百分比)：Ni：38％，Co：22％，Cr：18％，Al：12％，Y：1％，Nb：4％，Mo：2％，Hf：1％，Ta：2％。

在本实施例中，所述金属镍和金属铪的总质量百分比为39％。

实施例3：

一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层，合金涂层包括以下组份(质量百分比)：Ni：39％，Co：22％，Cr：18％，Al：12％，Y：1％，Mo：4％，Hf：4％。

在本实施例中，所述金属镍和金属铪的总质量百分比为43％。

由实施例1～实施例3得到的耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的显微硬度和相组成见表1和图1。

表1

由实施例1～实施例3得到的耐高温耐磨镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层弹性模量见表2。

表2

	实施例1	实施例2	实施例3
				弹性模量(GPa)	136	131	123

由实施例1～实施例3得到的耐高温耐磨镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层1000℃等温氧化100小时氧化增重见表3。

表3

由实施例1～实施例3得到的耐高温耐磨镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层磨损率见表4。

表4

	实施例1	实施例2	实施例3
				<![CDATA[磨损率(mm<sup>3</sup>N<sup>-1</sup>m<sup>-1</sup>)]]>	<![CDATA[1.72·10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[3.33·10<sup>-7</sup>]]>	<![CDATA[5.35·10<sup>-6</sup>]]>

基于上述，本发明是通过对各个合金成分配比进行优化，制备出生产成本低，硬度大，耐磨性好，抗氧化能力强的耐高温合金及其涂层。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于，用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备制备涂层；所述制备方法包括：

制备合金粉末，所述合金粉末包括以下组份及质量百分比：Ni：36-39％，Co：22％，Cr：18％，Al：12％，Y：1％，Nb：0-4％，Hf：1-4％，Ta：0-3％，Mo：0-4％；

用低温超音速喷涂-激光重熔同步设备中的低温超音速喷枪将所述合金粉末直接喷涂到高温合金基材上形成第一层涂层；涂层制备条件为喷枪内压力64-74MPa，送粉量47-51g/min，空气压力69-78psi，丙烷压力77-90psi，喷涂距离160-260mm；

用低温超音速喷涂-激光同步重熔设备中的激光重熔设备对喷涂沉积的第一层涂层进行重熔，激光功率1000-1100W，光斑直径3mm，步进1.2-1.3mm，线能量密度24-43J/mm；

按照喷涂-重熔的方式逐层制备，直至达到要求厚度。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于：涂层的总厚度为350～400μm。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于：镍钴基体系粉末的粒径范围在13～45μm。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于：涂层的显微组织为细小的γ`相、较大的β相等轴晶以及金属间化合物。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于：Ni与Hf的质量百分比之和不超过43％。

6.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于：采用真空雾化制粉设备制备合金粉末。

7.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法，其特征在于：对所述基材喷涂前清洗，表面处理采用喷砂磨料为白刚玉，喷砂喷枪内压力70MPa，磨料大小为180目。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述的一种耐高温耐磨的镍钴基低温超音速喷涂-激光伴随强化涂层的制备方法制备的涂层。

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