[發(fā)明專利]一種高溫合金復(fù)合納米晶涂層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410653246.9
• 申請日: 2014-11-17
• 公開（公告）號(hào): CN104441821A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱圣龍;陳明輝;楊蘭蘭;王福會(huì)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): B32B15/01
• 分類號(hào): B32B15/01;C23C14/16;C23C14/35;C23C14/32
• 代理公司: 沈陽晨創(chuàng)科技專利代理有限責(zé)任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高溫防護(hù)技術(shù)，特別提供一種可用于高溫合金零部件的復(fù)合納米晶涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

高溫防護(hù)涂層與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效氣冷并重為先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的三大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)，在航空、航天、船舶、能源、兵器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。高溫金屬防護(hù)涂層是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件合金的“防護(hù)外衣”，起著提高熱端部件抗高溫氧化腐蝕性能、延長部件在惡劣環(huán)境下服役壽命的重要作用。同時(shí)，金屬涂層還是熱障涂層的粘結(jié)層，用于改善陶瓷隔熱層和高溫合金基體之間熱物理性能的不匹配，并降低熱應(yīng)力，由此提高熱障涂層的壽命。

MCrAlY涂層是較為理想的高溫防護(hù)涂層，該涂層的優(yōu)點(diǎn)在于其成分選擇的多樣性，即可以根據(jù)不同的工作環(huán)境和不同基體材料選擇合適的涂層成分，不受基體化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)限制。典型的MCrAlY涂層主要由β+γ'鋁化物相和γ基體組成，一般化學(xué)成分為15～28wt.％Cr，4～18wt.％Al，0.5～0.8wt.％Y，余量為Ni，Co。Ni和Co含量的選擇主要取決于涂層的韌性和抗腐蝕性能要求。MCrAlY涂層良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能主要因?yàn)樗梢孕纬杀Ｗo(hù)性的氧化鋁膜，另外高含量的Cr不僅可以使涂層具有很好的抗第二類熱腐蝕性能，還能促進(jìn)氧化鋁膜的形成。這種MCrAlY包覆涂層的制備方法包括物理氣相沉積和等離子噴涂。但是，MCrAlY涂層普遍存在的一個(gè)問題是由于與基體高溫合金化學(xué)成分差異很大，高溫服役時(shí)由于界面元素的互擴(kuò)散，容易在界面下方形成元素的互擴(kuò)散區(qū)以及二次反應(yīng)區(qū)，降低基體合金的力學(xué)性能。A.Sato的研究結(jié)果表明由于界面元素互擴(kuò)散的影響，四代單晶高溫合金TMS-138的高溫蠕變壽命縮短了86％。

與MCrAlY涂層相比，磁控濺射與合金基體成分一致的納米晶涂層，由于涂層與基體合金成分一致，避免了高溫服役時(shí)MCrAlY涂層經(jīng)常遇到的界面互擴(kuò)散問題。同時(shí)由于納米晶涂層內(nèi)部含有大量晶界，促進(jìn)了Al的選擇性氧化，能夠比較容易在涂層表面生成致密并且粘附性良好的氧化鋁膜，為基體合金提供優(yōu)異的高溫防護(hù)性能；通過納米晶涂層內(nèi)部柱狀晶界的變形還可以比較容易地釋放氧化鋁膜內(nèi)部的生長應(yīng)力以及熱應(yīng)力，從而提高氧化膜的抗熱循環(huán)剝落性能。然而，也因?yàn)榧{米晶涂層內(nèi)部存在大量晶界的緣故，涂層的抗熱腐蝕性能較差，限制了磁控濺射納米晶涂層在熱腐蝕環(huán)境下的使用。S.Geng以及P.Yu分別研究了K52以及K38高溫合金濺射納米晶涂層的熱腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)腐蝕介質(zhì)S很容易沿著納米晶涂層的晶界擴(kuò)散至涂層甚至基體內(nèi)部，引發(fā)基體合金的嚴(yán)重腐蝕。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高溫合金復(fù)合納米晶涂層及其制備方法，本發(fā)明采用磁控濺射以及多弧離子鍍技術(shù)制備的復(fù)合納米晶涂層克服了現(xiàn)有NiCrAlY涂層高溫服役時(shí)容易與高溫合金基體發(fā)生界面元素互擴(kuò)散、表面氧化膜抗熱循環(huán)剝落性能差的缺點(diǎn)，并克服了現(xiàn)有磁控濺射納米晶涂層抗熱腐蝕性能差的缺點(diǎn)，具有優(yōu)異的抗高溫氧化、抗熱腐蝕、抗熱循環(huán)剝落綜合性能，并且高溫服役時(shí)避免與高溫合金基體界面的元素互擴(kuò)散，抑制了合金內(nèi)部二次反應(yīng)區(qū)的生成。

本發(fā)明具體提供了一種高溫合金復(fù)合納米晶涂層，其特征在于：該復(fù)合納米晶涂層由底層與面層組成；底層為濺射納米晶涂層，面層為NiCrAlY涂層。

本發(fā)明所述高溫合金復(fù)合納米晶涂層，其特征在于：復(fù)合納米晶涂層的底層為柱狀納米晶涂層，柱狀晶尺寸小于100nm，厚度為18～40um，其成分與高溫合金基體一致。

底層結(jié)構(gòu)為柱狀納米晶，該結(jié)構(gòu)具有較高的韌塑性，能夠通過涂層的塑性變形消耗表面氧化膜內(nèi)部的生長應(yīng)力以及熱應(yīng)力，從而提高氧化膜的抗熱循環(huán)剝落性能。底層成分與基體合金一致，避免了高溫下與基體合金之間的元素互擴(kuò)散，該涂層1100℃下氧化100h，界面處沒有出現(xiàn)與單晶高溫合金(如N5)的明顯互擴(kuò)散區(qū)，而普通NiCrAlY高溫合金在1100℃下100h出現(xiàn)了20um厚的互擴(kuò)散區(qū)和二次反應(yīng)區(qū)。

本發(fā)明所述高溫合金復(fù)合納米晶涂層，其特征在于：所述NiCrAlY面層成分為Cr：24～29wt％，Al：9～13wt％，Al+Cr：33～40wt％，Y：0～1wt％，余量為Ni；納米晶底層涂層的厚度為NiCrAlY面層厚度的1.5～3倍。