一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层及其制备方法，属于高温防护涂层技术领域。通过电镀技术、电弧离子镀技术加真空扩散退火的方法在高温合金基体上制备了一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层。与常规的扩散障相比，该扩散障起到了双重作用：第一，阻止了基体中难熔元素向涂层中扩散，抑制了涂层与基体之间的互扩散；第二，在高温氧化过程中，Re基扩散障中Re会向MCrAlY涂层中扩散，减少涂层与氧化膜之间的热膨胀系数，提高氧化膜的粘附性，起到活性元素改性作用。在Re基扩散障的双重作用下，涂层的抗高温氧化性能得到提高。

说明书

技术领域

本发明涉及高温防护涂层领域，具体涉及一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层及其制备方法。

背景技术

高温合金一般用于航空发动机的涡轮叶片中，在高温服役条件下除了需要具体优异的高温力学性能外，还应该有好的抗氧化性能。在高温合金表面沉积涂层可以有效提高其抗高温氧化性能，同时维持高温合金的力学性能。

MCrAlY(M＝Ni、Co或者NiCo)涂层具有优异的抗高温氧化以及抗热腐蚀性能，而且其成分和厚度可以精确调控，满足不同工况条件的要求，因此广泛用于高温合金中，然而，在涂层和基体之间常常会发生严重的互扩散，加速涂层退化，从而对涂层的抗氧化性能造成负面影响。在涂层和基体之间添加扩散障可以有效得解决涂层基体界面互扩散问题。

扩散障一般分为金属型扩散障和陶瓷型扩散障。陶瓷型扩散障可以有效阻止互扩散，然后陶瓷层例如Al-O-N或者Al

对于高温防护涂层部件，其抗氧化性主要依赖于表面的氧化膜，Al

发明内容

本发明的目的是提供一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层及其制备方法，在涂层与基体界面处形成了均匀、连续的Re基扩散障，高温服役过程中，该Re基扩散障可以阻止基体与涂层的互扩散。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层的制备方法，该方法首先在高温合金基体上电镀一层Re-Ni层；然后用电弧离子镀技术在Re-Ni层表面沉积MCrAlY涂层；接着进行真空热处理，使得Re-Ni层与基体、MCrAlY涂层之间发生扩散，同时使得涂层组织变得更加均匀，从而在基体上形成具有优异结合力的Re基扩散障的MCrAlY涂层；该方法具体包括如下步骤：

(1)电镀前预处理：电镀前预处理包括依次进行的电化学除油以及活化处理，通过预处理去除基体表面的氧化层，提高Re-Ni层和基体的结合力；

(2)复合电镀Re-Ni层：镀液组成为：柠檬酸0.1-0.4mol/L，NiSO

(3)采用电弧离子镀技术，在Re-Ni镀层上面沉积MCrAlY涂层，沉积时间为3-6h；

(4)电弧离子镀沉积完MCrAlY涂层后，将含有两层膜的基体在真空条件下进行真空退火处理，经过上述步骤即可获得含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层。

上述步骤(1)中的基体为Ni基高温合金。

上述步骤(1)中，先对基体进行表面处理，然后再进行预处理；所述表面处理的过程为：在预磨机上按顺序使用150#、240#、400#、600#、800#SiC砂纸对试样进行打磨，将金属的新鲜表面磨出来后对试样进行湿喷砂处理，之后依次使用自来水、去离子水和丙酮对试样进行超声处理以去除试样表面残留的油污等。

上述步骤(2)中的电镀采用双阳极，两个阳极面的中心分别与阴极两面的中心相对，阴阳极的相对距离为30-60mm，阳极/阴极单面面积比为(2-5):1。

上述步骤(2)中的Re-Ni层是扩散障的预制层，厚度在1-5μm之间较合适。

上述步骤(3)中，MCrAlY涂层沉积过程中：靶基距为200～250mm，弧电压为20～25V，弧电流为70～90A，脉冲偏压为-150～-300V，占空比为20％～40％，沉积温度为100～300℃，沉积时间为3-6h，涂层厚度为30～60μm。

上述步骤(3)中，沉积MCrAlY涂层时采用MCrAlY靶材，按重量百分比计，靶材化学成分为：Cr为16％～24％，Al为8％～16％，Y为0.1％～1％，Si为0.5％～2％，Ni为余量。

上述步骤(4)中，将步骤(3)沉积的MCrAlY涂层进行真空热处理即真空扩散退火，真空扩散退火时，温度为900～1000℃，保温时间为3～5h，升温速率≤20℃/min，保温结束后随炉冷却至室温。

本发明的优点如下：

1、本发明先在基体上电镀一层Re-Ni层，再用电弧离子镀技术沉积了高Cr含量的MCrAlY涂层并进行真空热处理，在涂层与基体界面处形成了均匀、连续的Re基扩散障，该扩散障与MCrAlY涂层以及基体均为冶金结合。

2、高温服役过程中，该Re基扩散障可以阻止基体与涂层的互扩散，从而减缓涂层退化，延长涂层的使用寿命。

3、Re基扩散障中的Re在高温服役过程中会扩散到MCrAlY涂层中，提高氧化膜的粘附性，起到活性元素改性作用。

附图说明

图1为退火后含Re基扩散障的MCrAlY涂层的截面SEM形貌。

图2为退火后含Re基扩散障的MCrAlY涂层的表面SEM形貌。

图3为退火后含Re基扩散障的MCrAlY涂层的XRD衍射图谱。

图4为1100℃恒温氧化200h后含Re基扩散障MCrAlY涂层的截面SEM形貌。

具体实施方式

下面结合实施例及附图详述介绍本发明。

本发明先在基体上电镀一层Re-Ni层，再用电弧离子镀技术沉积了高Cr含量的MCrAlY涂层并进行真空热处理，在涂层与基体界面处形成了均匀、连续的Re基扩散障，该扩散障与MCrAlY涂层以及基体均为冶金结合。高温氧化过程中可以阻止元素扩散。由于Re在Cr中的固溶度高，而MCrAlY涂层Cr含量较高，高温服役过程中高温会促进扩散障中的Re以Cr为媒介，向MCrAlY涂层中扩散，起到活性元素改性作用。

实施例1：

本实施例是在镍基高温合金基体上制备一种含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层，所用的镍基高温合金化学成分如下(质量百分比)：Cr：16％，Co：8.5％，Al：3.5％，Ti：3.2％，Mo：1.8％，W：2.5％，Nb：0.6％，C：少量，Ni：余量。试样尺寸为15×10×2mm，在距边缘1mm处线切割一个直径为1.5mm的孔，便于电镀和电弧离子镀过程中悬挂试样。

对试样进行表面处理和预处理：在预磨机上使用SiC砂纸对试样打磨至800#砂纸，将金属的新鲜表面磨出后对试样进行200目刚玉砂和玻璃砂的混合物、1-2atm进行湿喷砂处理，之后对喷砂样依次选择自来水、去离子水和丙酮进行超声处理以去除表面残留的油污等。电镀前预处理，包括电化学除油和活化处理去除试样表面氧化层。电化学除油具体工艺为：在5g/L的氢氧化钠溶液中电化学除油，基体作为阴极，不锈钢板为阳极，电流密度为5A/dm

将预处理后的高温合金基体作为阴极悬挂在镀液中，按以下步骤进行电镀：镀液成分为：柠檬酸0.3mol/L，NiSO

电镀完Re-Ni层后，采用电弧离子镀设备沉积MCrAlY涂层，试样装炉后，可先进行预溅射轰击清洗后再沉积MCrAlY涂层。将真空预抽至7×10

沉积涂层时，靶基距为250mm，弧电压为20V，弧电流为90A，脉冲偏压为-150V，占空比为30％，沉积温度为200℃，沉积时间为4.5h。

将得到的涂层样品放入石英玻璃管中抽真空后充入氩气保护，在马弗炉中升温到900℃保温4h，升温速率为10℃/min，保温结束后随炉冷却到室温。

含Re基扩散障MCrAlY涂层退火后的截面形貌如图1所示。由图1可知，退火后在基体和MCrAlY涂层之间形成了连续、均匀、致密的Re基扩散障，涂层的厚度约为40μm。

涂层扩散退火后的表面形貌如图2所示，由图1可知，沉积的涂层表面比较粗糙，一些大小不等的颗粒分布在涂层表面。

扩散退火后的XRD图谱如图3所示，由图3可知，真空扩散退火后，含Re基扩散障MCrAlY涂层主要由β-NiAl、γ'/γ和α-Cr相组成。

含Re基扩散障MCrAlY涂层在1100℃下恒温氧化200h后的截面SEM形貌如图4所示，从图4可以看出，1100℃氧化200h后，扩散障中的Re扩散进涂层中，这些Re可以降低氧化膜与涂层之间的热膨胀系数，从而起到了活性元素改性作用。

与常规的扩散障相比，本发明扩散障起到了双重作用：第一，阻止了基体中难熔元素向涂层中扩散，抑制了涂层与基体之间的互扩散；第二，在高温氧化过程中，Re基扩散障中的Re会向MCrAlY涂层中扩散，减少涂层与氧化膜之间的热膨胀系数，提高氧化膜的粘附性，起到活性元素改性作用。在Re基扩散障的双重作用下，涂层的抗高温氧化性能得到提高。含有活性元素改性作用Re基扩散障的MCrAlY涂层及其制备方法可应用于镍基高温合金的防护。