[發明專利]一種抗高溫水蒸氣腐蝕的納米梯度復合多層涂層及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811268906.6
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109234694B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 黃峰;李朋;葛芳芳;祝涵
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/16;C23C14/02;C23C14/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

本發明公開了一種抗高溫水蒸氣腐蝕的納米梯度復合多層涂層，由納米梯度結構的Cr_xAl_ySi_1?x?y層、Cr_aAl_bSi_cN_1?a?b?c層以及Cr_eN_1?e層依次沉積在基體上形成，0.45≤x≤0.6，0.15≤y≤0.3，0.3＜a≤0.4，0.2≤b≤0.25，0.06≤c≤0.13，0.85＜e≤1，x、y、a、b、c、e均為平均原子比。本發明還公開了所述涂層的制備方法，分成三個時間段進行沉積，分別控制各時間段的濺射時間、所用靶材及其濺射功率以及通入N₂的流量制得，得到的涂層硬度高達18～23GPa，在300～800℃冷熱交替水蒸氣腐蝕下5～7次，涂層不開裂，特別適合應用于發電領域。

技術領域

本發明屬于高溫防護涂層領域，具體涉及一種抗高溫水蒸氣氧化的陶瓷涂層及其制備方法并應用于發電領域。

背景技術

在發電領域中，隨著人們對節約能源和環境保護的日益重視。要求發電機組的參數不斷優化以改善機組效率、降低單位發電量的污染物排放。優化的方向之一是通過發電機組的水蒸氣溫度要高(600～800℃)以及加大對水蒸氣余熱的利用(節約能源)，這就對發電機組材料的抗氧化性能提出了更苛刻的要求。

中國專利文獻CN101225465A公開了一種提高耐熱鋼高溫水蒸氣氧化性能的方法，通過對耐熱鋼表面進行激光表面快速熔化、快速凝固的工藝，使表層獲得極細晶粒尺寸、含有較基體組織更高的晶界、亞晶界、孿晶界、位錯、空位等點陣缺陷的組織，實現提高抗高溫蒸汽氧化能力的目的；經處理過的耐熱鋼可以用來改善發電機組的部件，如過熱器、再熱器、高溫蒸汽管道、汽輪機轉子、葉片、高中壓內缸等部件，使得這些部件的抗高溫水蒸汽氧化能力大幅度提高，為機組運行提供安全保障。

但上述對耐熱鋼表面進行激光表面重熔處理適用面較窄，發電領域的許多部分并不是耐熱鋼材料，如部分監測儀表，其自身材料并不是耐熱鋼，是其他金屬或合金。因此，需要研發出適用面更廣的防護涂層來提高部件的抗高溫蒸汽氧化能力，即在部件的外表面鍍一層耐高溫水蒸氣腐蝕的防護涂層。

Cr、Al、Si因其氧化物(Cr₂O₃、Al₂O₃、SiO₂)的耐受溫度高，常被選作為抗高溫氧化材料，而一般組元多的涂層，如四元及四元以上，利用氣相沉積磁控濺射法制備的涂層多為非晶態，這是由于組元多意味著原子種類多，氣相沉積是個快速冷卻的過程意味著原子擴散不足，原子種類多加之擴算不足，導致原子混亂度大，易形成非晶。

如中國專利文獻CN108486537A就公開了一種利用氣相沉積磁控濺射法制備的非晶且致密結構的CrAlSiN涂層，其作為防護涂層可以在800～1200℃可以有效的預防鋯合金與水蒸氣發生反應。該非晶態Cr-Al-Si-N涂層的結構中存在較多的缺陷，涂層硬度較低、脆性大，受力容易產生裂紋，特別是在冷熱交替過程中涂層與基體的熱膨脹系數不匹配，導致涂層容易開裂并剝落，出現涂層的開裂等不足，十分不適用于發電領域。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種抗高溫水蒸氣腐蝕的納米梯度復合防護涂層，可有效提高涂層的硬度和抗高溫水蒸氣腐蝕性能，有效地解決了部件在冷熱交替使用過程中涂層出現開裂的問題。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下：