[發明專利]一種降低高溫合金與防護涂層界面元素互擴散的方法

在審

• 申請號: 201410648586.2
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN104357782A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 于月光;張淑婷;沈婕;王輝;郭東海;周恒;李金
• 申請（專利權）人: 北京礦冶研究總院;北礦新材科技有限公司
• 主分類號: C23C4/06
• 分類號: C23C4/06;C23C4/08;B22F9/08;B22F1/00
• 代理公司: 北京藍智輝煌知識產權代理事務所(普通合伙) 11345
• 代理人: 陳紅

技術領域

本發明屬于熱噴涂涂層材料領域，涉及一種降低新一代高溫合金與防護涂層基體/界面互擴散的MCrAlYX合金粉末、涂層及制備方法。

背景技術

新一代高溫合金由于其優秀的高溫機械性能，目前已經成為航空發動機葉片的首選材料。為了進一步提高其使用溫度和合金的高溫力學性能，我國新一代高溫合金(例如DD6、DZ125、DZ40等)中加入了多種具有強化作用的稀土及難熔合金元素(例如Ti、Mo、Hf、Re、Ta、Nb等)，進一步提高使用溫度(可提高50-100℃)和高溫力學性能，合金體系元素種類已超過10種。MCrAlY(M：Co、Ni或Co+Ni)涂層具有優良的高溫抗氧化和熱腐蝕性能，是目前最常用的高溫合金用防護涂層材料，該材料具有噴涂后涂層組織均勻，結合強度高，抗高溫氧化、耐熔鹽腐蝕性能優越等特點，對提高新一代高溫合金葉片抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能和延長葉片的使用壽命做出了巨大貢獻。然而，高溫下，MCrAlY涂層與高溫合金基體間不可避免會發生元素互擴散，互擴散雖然可提高涂層和基體之間的結合力，但目前廣泛使用的MCrAlY涂層以4或5元合金體系為主，與基體合金材料體系(≥10種元素)差別較大，在擴散過程中因基體和涂層微量元素濃度梯度差較大，會造成基體中強化元素含量顯著下降，嚴重影響合金基體的高溫性能，如高溫抗氧化性能、高溫拉伸、高溫疲勞等力學性能大幅度下降(≥20％)。

多組元、成分均勻、氧含量及雜質含量低是目前高溫防護用MCrAlY涂層材料的發展趨勢，合金材料體系中除Ni、Co、Cr、Al、Y等合金元素外，同時還含有Ta、Hf、Ti、Nb、Re、Si等元素。隨著添加上述微量強化元素，可以減小涂層材料與基體材料之間微量元素的濃度梯度差，從而在不降低涂層高溫抗氧化及抗腐蝕性能的同時，可有效抑制基體中微量元素向涂層擴散。然而，隨著高熔點、難熔合金元素的添加，合金鋼液的熔點升高。霧化過程中為了保證合金鋼液的流動性及粉末的形貌、粒度大小及分布的控制，合金鋼液需具有一定的過熱度，導致鋼液的霧化溫度更高，鋼液與熔煉坩堝之間的反應加劇，從而使合金粉末中氧化物夾雜含量升高，影響了涂層材料的使用性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種降低高溫合金與防護涂層界面元素互擴散的方法，以及所使用的多元MCrAlYX合金粉末及制備方法，降低新一代高溫合金與防護涂層基體/界面互擴散，該熱噴涂合金粉末抗氧化及抗腐蝕性能優異，可以解決我國新一代復雜體系高溫合金與簡單體系的防護涂層材料不匹配，導致在高溫環境下因微量元素擴散基材使用溫度和力學性能下降的問題，以及制備多元MCrAlYX合金粉末在制備過程中因鋼液溫度過高引起的氧化物夾雜含量過高的問題。

本發明的技術方案如下：

一種多元MCrAlYX合金粉末，該合金粉末的化學組成及雜質含量如下：Cr：15～32wt％，Al：3.0～10wt％，Y：0.1～3.0wt％，X：0～15％(X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一種或多種的組合)，O：≤500ppm，N：≤50ppm，H：≤50ppm，C：≤200ppm，M(M是Fe、Co、Ni等合金元素)余量。

本發明中，熱噴涂合金粉末粒度為15～105μm。

本發明中，熱噴涂合金粉末的流動性為≤25s/50g，松裝密度為：3.5～4.5g/cm³。

一種多元MCrAlYX合金粉末的制備方法，制備方法為真空熔煉-熱氣霧化技術，熱氣霧化是利用電加熱使霧化氣體溫度升高至100～500℃，并增大霧化氣流速度，氣流的流動速度約為1.0～3.0馬赫，該氣流直接沖擊液態金屬流使其霧化成微小的液滴，隨后快速冷凝成合金粉末。與常規的真空熔煉-惰氣霧化技術制備合金粉末技術相比，真空熔煉-熱氣霧化技術可以通過提高霧化氣體溫度，增大霧化氣體動能，在實現粉末形貌、粒度大小及分布控制的同時，可降低鋼液過熱度，從而降低合金粉末中的氧化物夾雜含量，提高涂層材料的使用性能。

一種多元MCrAlYX合金涂層的制備方法，采用等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝在新一代高溫合金基材上制備涂層，并對涂層進行真空熱處理。熱處理工藝具體如下：在1000～1100℃，熱處理4～8h后，在800～900℃進行15～30h時效處理。

一種降低高溫合金與防護涂層界面元素互擴散的方法，采用本發明提供的真空熔煉-熱氣霧化方法制備本發明的多元MCrAlYX合金粉末，并采用本發明提供的方法制備涂層。

本發明的有益效果是：