电子束物理气相沉积与熨压组合改善镍基高温合金涂层表面完整性的方法

摘要

本发明公开了一种电子束物理气相沉积与熨压组合改善镍基高温合金涂层表面完整性的方法，该方法通过电子束物理气相沉积工艺在基体上制得涂层，然后通过熨压工艺对涂层表面进行降低粗糙度，提高表面致密度，减少气孔率的处理。经本发明方法制得的镍基高温合金涂层的抗氧化性明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用组合方式制备镍基高温合金涂层的方法，更特别地说，是指 一种将电子束物理气相沉积与熨压工艺相结合来改善镍基高温合金涂层表面完整性 的方法。

背景技术

表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆，表面改性或多种表面技术复合处 理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获 得所需要表面性能的系统工程。

各种表面技术是表面工程的技术基础，常用的表面技术有：堆焊技术、熔结技术 (低真空熔结、激光熔敷等)、电镀、电刷镀及化学镀技术、非金属镀技术、热喷涂 技术(火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、低压等离子喷涂 等)、塑料喷涂技术、粘涂技术、涂装技术、物理与化学气相沉积(真空蒸镀、离子 溅射、离子镀等)、化学热处理、激光相变硬化、激光非晶化、激光合金化、电子束 技术相变硬化、离子注入等。表面工程是表面技术在产品制造或修理中的综合应用。

传统的机械设计偏重于从结构上，从零件的刚度、强度及抗疲劳性能上进行设计， 较少重视零件表面性能的设计。传统的机械制造重在零件的成形加工和零件整体性能 的处理，较少考虑表面的处理。传统的选材用材原则重视零件整体材质的选择，较少 将基材(母材)的选用与表面材质的选用统筹考虑。

对于现代燃气涡轮发动机而言，提高其工作效率的一个主要手段就是提升发动机 整体的燃烧工作温度。因而需要在高温工作部件的表面涂覆高温防护涂层，以提高高 温工作部件的抗氧化和抗腐蚀性能。MCrAIY(M＝Co，Ni或Co+Ni)涂层是90 年代以来开始广泛使用的包覆涂层。MCrAIY涂层具有良好的抗高温氧化和抗热腐 蚀性能，而且具有良好的塑性，且成份选择具有多样性。但目前工艺制得的MCrAIY 涂层沉积效率高，成本低，但涂层结合力差，孔隙率大，表面光洁度差；因而需要后 续的喷丸及真空热处理等工序，工序复杂，成本高。

发明内容

为了解决经电子物理气相沉积制得的涂层的高表面粗糙度、高气孔率、大晶粒尺 寸等问题，本发明提出了一种电子束物理气相沉积与熨压组合改善镍基高温合金涂层 表面完整性的方法。该方法通过电子束物理气相沉积工艺在基体上制得涂层，然后通 过熨压工艺对涂层表面进行降低粗糙度，提高表面致密度，减少气孔率的处理。经本 发明方法制得的镍基高温合金涂层的抗氧化性明显提高。

本发明的一种电子束物理气相沉积与熨压组合改善镍基高温合金涂层表面完整 性的方法，包括有下列步骤：

第一步：选取试样

第二步：制备涂层材料料棒

按比例称取镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金元素，熔炼温度1600℃～ 1800℃，经熔炼制得电子束物理气相沉积用涂层材料金属料棒；

在本发明中，涂层成分为18～22wt％的钴、19～25wt％的铬、6～8wt％的 铝、0.07～1.0wt％的钇以及余量的镍；

第三步：采用电子束物理气相沉积设备制备涂层：

①将上述制得的料棒放入电子束物理气相沉积设备中的坩埚2内，并将镍基高温 合金基体安装于基板10上；

②抽真空至所需真空度～10^-3Pa；

③设定旋转基板架7的旋转速度10～20rpm；

采用电子束加热基板10至600～900℃，电子束电压17～19kV；

④沉积涂层：预蒸发涂层材料料棒，并调节电子束流1.4～1.8A，料棒上升速率 0.8～1.0mm/min，沉积速率1.5～2.0μm/min；拉开挡板6，蒸发沉积涂层开始， 沉积完成后闭合挡板6，取出，得到待处理第一试样；

第四步：一次热处理

将待处理第一试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1000℃～1100℃下进 行真空热处理2～6h后，得到待处理第二试样；

第五步：熨压表面处理

将待处理第二试样装卡在数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头与所述待处理第二试样接触，且熨压加工面为待处理第二试样的表 面；熨压压头端部半径为1.5～2.5mm；

调节数控机床的主轴转速v为1000～3000r/min，进给量f为5～20μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为5～30μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为5～15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.3～1N/mm，预压力20～60N；

经熨压加工处理后得到待处理第三试样；

第六步：二次热处理

将待处理第三试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1000℃～1100℃下进 行真空热处理2～6h后，得到镍基高温合金涂层。

在本发明中，试样可以为圆片形镍基高温合金或者板状镍基高温合金。

经本发明的组合工艺制得的镍基高温合金涂层在1323K、100h的氧化增重为 0.31～0.45mg/cm²。

本发明中一种制备镍基高温合金表面高性能粘结涂层的方法优点在于：

(A)本发明可以获得更加光滑的镍基高温合金粘结涂层表面，使表面涂层组织致密 化，减小了气孔率，并使涂层晶粒得到细化，提高了抗氧化性能。

(B)本发明所使用的设备简单，易于操作，成本低，效率高，可以有效的应用到高 温合金表面涂层的工业制备中。

(C)本发明中所采用的表面熨压技术可以通过改变熨压参数控制表面变形程度，从 而控制表面粗糙度、致密度和孔隙率，达到最好的表面处理效果。

附图说明

图1是本发明制备镍基高温合金表面高性能粘结涂层的流程图。

图2是基体表面熨压加工的示意图。

图3是电子束物理气相沉积设备的简示图。

图4A是实施例1制得的待处理第二试样表面形貌照片。

图4B是实施例1制得的镍基高温合金涂层表面形貌照片。

图5A是实施例2制得的待处理第二试样表面形貌照片。

图5B是实施例2制得的镍基高温合金涂层表面形貌照片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的组合制备方法旨在改善镍基高温合金涂层表面的完整性，通过电子束物 理气相沉积方法在镍基高温合金基体上制得耐腐蚀抗氧化的涂层(成分镍钴铬铝钇)， 然后采用熨压工艺对涂层表面进行处理，从而获得表面粗糙度降低，提高抗循环氧化 性。其工艺流程如图1所示。首先采用电子束物理气相沉积对选取的镍基基材进行 涂层制备，然后经一次热处理后进行熨压处理，经熨压处理后的试样再经二次热处理 即得到镍基高温合金涂层。

参见图2所示，在本发明中，应用了数控机床和熨压加工设备的组合。首先将 被熨压试样(即镍基高温合金基体)装卡在数控机床的机床夹具上；然后将熨压加工 设备的熨压压头与被熨压试样接触；通过调节弹簧来控制弹性预压力P。熨压加工是 利用熨压压头在数控机床上对被熨压试样表面进行熨压加工，被熨压试样装卡在机床 夹具上，被熨压表面平行于y-z平面，且沿其轴线(即x轴)以一定转速v进行转动。 熨压压头平行于x轴方向，并通过在熨压深度方向(x轴)上提供熨压深度a_p、沿 被熨压试样表面方向平行于y轴以一定的进给量f前进；通过调节弹性预压力P、 转速v、熨压深度a_p和进给量f能够使熨压加工设备提供适当的熨压力F。所述熨 压力F由熨压力测试装置进行监测和反馈，以达到控制表面成型力的作用。熨压压 头选用人造聚晶金刚石等超硬材料制作。

本发明的一种电子束物理气相沉积与熨压组合改善镍基高温合金涂层表面完整 性的方法，包括有下列步骤：

第一步：选取试样

在本发明中，试样为圆片形镍基高温合金，该镍基高温合金的牌号为DZ125， 该合金化学成分为(质量分数)：C-0.1％，Cr-8.9％，Co-10％，W-7％，Mo-2 ％，Al-5.2％，Ti-0.9％，B-0.015％，Ta-3.8％，Hf-1.5％，Ni-余量。所述 DZ125定向凝固合金的再结晶行为研究失效分析与预防，2009年8月，Vo.l 4，No. 3,129-132。

第二步：制备涂层材料料棒

按比例称取镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金元素，熔炼温度1600℃～ 1800℃，经熔炼制得电子束物理气相沉积用涂层材料金属料棒；

在本发明中，涂层成分为18～22wt％的钴、19～25wt％的铬、6～8wt％的 铝、0.07～1.0wt％的钇以及余量的镍；

第三步：采用电子束物理气相沉积设备制备涂层：

①将上述制得的料棒放入电子束物理气相沉积设备中的坩埚2内，并将镍基高温 合金基体安装于基板10上；

②抽真空室1内真空度至～10^-3Pa；

③设定旋转基板架7的旋转速度10～20rpm；

采用电子束加热基板10至600～900℃，电子束电压17～19kV；

④沉积涂层：预蒸发涂层材料料棒，并调节电子束流1.4～1.8A，料棒上升速率 0.8～1.0mm/min，沉积速率1.5～2.0μm/min；拉开挡板6，蒸发沉积涂层开始， 沉积完成后闭合挡板6，取出，得到待处理第一试样；

在本发明中，电子束物理气相沉积设备的简示图如3所示，图中，电子枪8、9 用于烘激靶材4(涂层材料料棒)，靶材4置于坩埚2内。

第四步：一次热处理

将待处理第一试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1000℃～1100℃下进 行真空热处理2～6h后，得到待处理第二试样；

第五步：熨压表面处理

将待处理第二试样装卡在数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为1.5～2.5mm)与所述待处理第二试样接 触；熨压加工面为待处理第二试样的表面；

调节数控机床的主轴转速v为1000～3000r/min，进给量f为5～20μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为5～30μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为5～15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.3～1N/mm，预压力20～60N；

经熨压加工处理后得到待处理第三试样；

第六步：二次热处理

将待处理第三试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1000℃～1100℃下进 行真空热处理2～6h后，得到镍基高温合金涂层。

实施例1

第一步：选取圆片形牌号为DZ125的镍基高温合金作为试样；

第二步：制备涂层材料料棒

按比例称取镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金元素，熔炼温度1600℃， 经熔炼制得电子束物理气相沉积用涂层材料金属料棒；

在本发明中，涂层成分为18wt％的钴、25wt％的铬、6wt％的铝、1.0wt％ 的钇以及余量的镍；

第三步：采用电子束物理气相沉积设备制备涂层：

①将上述制得的料棒放入电子束物理气相沉积设备中的坩埚2内，并将镍基高温 合金基体安装于基板10上；

②抽真空至所需真空度～10^-3Pa；

③设定旋转基板架7的旋转速度15rpm；

采用电子束加热基板10至750℃，电子束电压19kV；

④沉积涂层：预蒸发涂层材料料棒，并调节电子束流1.6A，料棒上升速率 1.0mm/min，沉积速率1.5μm/min；拉开挡板6，蒸发沉积涂层开始，沉积完成 后闭合挡板6，取出，得到待处理第一试样；

第四步：一次热处理

将待处理第一试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1050℃下进行真空热处 理2h后，得到待处理第二试样；

在本发明中，采用扫描电子显微镜SEM(SEM，Model：JSM-5800，JEOL， Japan)观察经第四步处理的待处理第二试样表面形貌，如图4A所示，图中，柱状 晶晶粒尺寸较大，表面粗糙度高，晶粒间间隙大，孔隙率高。

第五步：熨压表面处理

将待处理第二试样装卡在数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为1.5)与所述待处理第二试样接触；熨压加 工面为待处理第二试样的表面；

调节数控机床的主轴转速v为2000r/min，进给量f为10μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为20μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为15N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.65N/mm，预压力35N；

经熨压加工处理后得到待处理第三试样；

第六步：二次热处理

将待处理第三试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1050℃下进行真空热 处理2h后，得到镍基高温合金涂层。

在本发明中，采用扫描电子显微镜SEM(SEM，Model：JSM-5800，JEOL， Japan)观察经第六步处理的待处理第三试样表面形貌，如图4B所示，图中，表面 柱状晶消失，粗糙度低，间隙小，空隙率低。通过对比图4A与图4B可以看到，经 熨压工艺后的镍基高温合金涂层表面光滑平整，粗糙度明显下降，表面致密度明显提 高，气孔率减少。

采用管式炉将待处理第二试样(一次热处理的试样)和镍基高温合金涂层(二次 热处理的试样)进行循环氧化增重测试。

所述待处理第二试样在1323K、100h的氧化增重为0.80mg/cm²。

所述镍基高温合金涂层在1323K、100h的氧化增重为0.45mg/cm²。经熨 压加工与二次热处理明显提高了镍基高温合金表面涂层的抗氧化性能。

实施例2

第一步：选取圆片形牌号为DZ125的镍基高温合金作为试样；

第二步：制备涂层材料料棒

按比例称取镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金元素，熔炼温度1600℃～ 1800℃，经熔炼制得电子束物理气相沉积用涂层材料金属料棒；

在本发明中，涂层成分为22wt％的钴、19wt％的铬、8wt％的铝、0.07wt％ 的钇以及余量的镍；

第二步：采用电子束物理气相沉积设备制备涂层：

①将上述制得的料棒放入电子束物理气相沉积设备中的坩埚2内，并将镍基高温 合金基体安装于基板10上；

②抽真空至所需真空度～10^-3Pa；

③设定旋转基板架7的旋转速度10rpm；

采用电子束加热基板10至600℃，电子束电压17kV；

④沉积涂层：预蒸发涂层材料料棒，并调节电子束流1.8A，料棒上升速率0.8 mm/min，沉积速率2.0μm/min；拉开挡板6，蒸发沉积涂层开始，沉积完成后 闭合挡板6，取出，得到待处理第一试样；

第四步：一次热处理

将待处理第一试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1000℃下进行真空热处 理2h后，得到待处理第二试样；

在本发明中，采用扫描电子显微镜SEM(SEM，Model：JSM-5800，JEOL， Japan)观察经第四步处理的待处理第二试样表面形貌，如图5A所示，图中，柱状 晶晶粒尺寸较大，表面粗糙度高，晶粒间间隙大，孔隙率高。

第五步：熨压表面处理

将待处理第二试样装卡在数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为2.5mm)与所述待处理第二试样接触；熨 压加工面为待处理第二试样的表面；

调节数控机床的主轴转速v为1500r/min，进给量f为5μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为10μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为10N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.65N/mm，预压力30N；

经熨压加工处理后得到待处理第三试样；

第六步：二次热处理

将待处理第三试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1100℃下进行真空热 处理4h后，得到镍基高温合金涂层。

在本发明中，采用扫描电子显微镜SEM(SEM，Model：JSM-5800，JEOL， Japan)观察经第六步处理的待处理第三试样表面形貌，如图5B所示，图中，表面 柱状晶消失，粗糙度低，间隙小，空隙率低。通过对比图5A与图5B可以看到，经 熨压工艺后的镍基高温合金涂层表面光滑平整，粗糙度明显下降，表面致密度明显提 高，气孔率减少。

采用管式炉将待处理第二试样(一次热处理的试样)和镍基高温合金涂层(二次 热处理的试样)进行循环氧化增重测试。

所述待处理第二试样在1323K、100h的氧化增重为0.83mg/cm²。

所述镍基高温合金涂层在1323K、100h的氧化增重为0.42mg/cm²。经熨 压加工与二次热处理明显提高了镍基高温合金表面涂层的抗氧化性能。

实施例3

第一步：选取圆片形牌号为DZ125的镍基高温合金作为试样；

第二步：制备涂层材料料棒

按比例称取镍钴铬铝钇(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金元素，熔炼温度1600℃～ 1800℃，经熔炼制得电子束物理气相沉积用涂层材料金属料棒；

在本发明中，涂层成分为20wt％的钴、22wt％的铬、7wt％的铝、0.09wt％ 的钇以及余量的镍；

第二步：采用电子束物理气相沉积设备制备涂层：

①将上述制得的料棒放入电子束物理气相沉积设备中的坩埚2内，并将镍基高温 合金基体安装于基板10上；

②抽真空至所需真空度～10^-3Pa；

③设定旋转基板架7的旋转速度15rpm；

采用电子束加热基板10至800℃，电子束电压18kV；

④沉积涂层：预蒸发涂层材料料棒，并调节电子束流1.5A，料棒上升速率 1.0mm/min，沉积速率2.0μm/min；拉开挡板6，蒸发沉积涂层开始，沉积完成 后闭合挡板6，取出，得到待处理第一试样；

第四步：一次热处理

将待处理第一试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1100℃下进行真空热处 理6h后，得到待处理第二试样；

在本发明中，采用扫描电子显微镜SEM(SEM，Model：JSM-5800，JEOL， Japan)观察经第四步处理的待处理第二试样表面形貌，其柱状晶晶粒尺寸较大，表 面粗糙度高，晶粒间间隙大，孔隙率高。

第五步：熨压表面处理

将待处理第二试样装卡在数控机床的机床夹具上；

调节熨压压头(熨压压头端部半径为2.0mm)与所述待处理第二试样接触；熨 压加工面为待处理第二试样的表面；

调节数控机床的主轴转速v为3000r/min，进给量f为20μm/r；

调节熨压压头在进给方向上的熨压深度a_p为15μm；

调节熨压过程中的弹性熨压力F为13N；

调节加工时弹性成型控制系统中弹簧刚度0.65N/mm，预压力30N。

经熨压加工处理后得到待处理第三试样；

第六步：二次热处理

将待处理第三试样放入真空热处理炉内，在热处理温度1100℃下进行真空热 处理4h后，得到镍基高温合金涂层。

在本发明中，采用扫描电子显微镜SEM(SEM，Model：JSM-5800，JEOL， Japan)观察经第六步处理的待处理第三试样表面形貌，其表面柱状晶消失，粗糙度 低，间隙小，空隙率低。

采用管式炉将待处理第二试样(一次热处理的试样)和镍基高温合金涂层(二次 热处理的试样)进行循环氧化增重测试。

所述待处理第二试样在1323K、100h的氧化增重为0.78mg/cm²。

所述镍基高温合金涂层在1323K、100h的氧化增重为0.42mg/cm²。经熨 压加工与二次热处理明显提高了镍基高温合金表面涂层的抗氧化性能。