[發明專利]一種提高金屬型芯涂層界面穩定性的方法

有效

• 申請號: 202010932055.1
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN114147169B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 劉恩澤;張沖;鄭志;寧禮奎;佟健;紀慧思;譚政
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B22C3/00
• 分類號: B22C3/00;B22C9/04;B22C9/22;C23C14/16;C23C14/32;C23C14/34;C23C16/06;C23C16/40;C23C16/44;C23C16/52;C23C16/56;C23C28/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種提高金屬型芯涂層界面穩定性的方法，屬于金屬防護涂層技術領域，主要目是解決氧化硅與高溫合金的界面問題，具體包括以下步驟：第一步優化涂層和預氧化技術，減少氧化硅的生成，最大化惰性氧化膜中氧化鋁的含量；第二步是利用高熔點金屬涂層,高熔點金屬涂層沉積在型芯惰性氧化膜的表面,利用氧化硅在真空、高溫環境中與沉積金屬元素發生化學反應和擴散,形成更加穩定界面類型,從而大幅提高界面的穩定性，涂層結構為金屬間化合物層/惰性氧化層/金屬涂層。本發明可用于精密鑄造領域，用于空心葉片的生產。

技術領域

本發明涉及金屬防護涂層技術領域，具體涉及一種提高金屬型芯涂層界面穩定性的方法。

背景技術

渦輪葉片是航空發動機、燃氣輪機的熱端關鍵部件之一，葉片的承溫能力越高，工作效率越高。為了提高工作效率，葉片從材料和結構方面進行改善，葉片材料熔點越高，則工作效率越高，然而葉片的工作溫度已經超過高溫合金的熔點，材料的承溫能力已經非常接近極限；另一方面，則設計葉片的結構，葉片的空心結構不能通過機械加工形成，只能在澆注葉片前預先放置精密鑄造型芯，然后通過化學腐蝕手段去除型芯，進而達到空心結構，通入冷卻空氣帶走熱量，實現了空氣冷卻，空氣冷卻能有效的提高葉片的使用溫度，因此冷卻效率對于渦輪葉片尤為重要。

隨著冷卻技術和鑄造工藝的發展，鑄造型芯的使用性能要求越來越高，目前陶瓷型芯為追求高的冷卻效率，冷卻通道設計的更加精細和復雜，相應的尺寸更加精細、細小。但是陶瓷型芯細小部位性能會下降，尤其是強度、抗熱沖擊能力都會下降，因此陶瓷材料由自身的性質尺寸會受到限制。為了解決該部分陶瓷材料的問題，因此采用鉬基金屬型芯替代細小的陶瓷型芯的部分，進而制備出具有更加先進的冷卻結構的陶瓷-金屬復合型芯，然而鉬基金屬型芯應用的關鍵，則是合理設計鉬合金的防護涂層。

鉬基金屬型芯的制備、服役過程，通過在鉬基金屬型芯預先沉積金屬間化合物層，然后預氧化形成惰性氧化物涂層，經過一系列的精密鑄造過程，包括型芯組裝、制備蠟模、型殼、脫蠟等，陶瓷模組進入定向爐中，抽真空，升溫至1000℃～1300℃保溫，然后升溫到1500℃～1650℃，保溫一段時間，然后澆注高溫合金，保持一定速率抽出，待冷卻后取出，去殼、脫芯。

如圖1(a)所示，在1550℃澆注DSM11高溫合金后，涂層能夠抵抗住合金的侵蝕，保護住鉬基金屬型芯的基體，但DSM11合金表面會發生嚴重的界面反應(如圖1(b)所示),這可能是由于氧化硅在高于1550℃時與高溫合金中的活性元素Al、Cr、Ti等發生化學反應，造成氧化硅黏連在鑄造件表面，造成表面缺陷(如圖2)。為了避免氧化硅的影響，有必要提高金屬型芯涂層界面的穩定性和鑄造件的表面質量。

發明內容

為了解決金屬鉬型芯的惰性氧化物層中氧化硅與高溫合金的界面不穩定問題，本發明提供一種提高金屬型芯涂層界面穩定性的方法，該方法能夠減少惰性氧化物中氧化硅的含量，并能利用高熔點金屬元素穩固涂層中的氧化硅，從而提高涂層的界面穩定性。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種提高金屬型芯涂層界面穩定性的方法，該方法是在鉬基金屬型芯表面制備涂層過程中，通過優化涂層成分和預氧化技術提高型芯與涂層之間界面的穩定性；該方法具體包括如下步驟：

(1)以純鉬或鉬合金作為金屬型芯基體，采用化學氣相沉積或原位化學氣相沉積工藝在型芯基體上進行硅、鋁元素的共沉積(在加熱爐或化學氣相沉積爐中進行)，沉積溫度為900℃-1300℃，沉積時間為2h～30h；沉積結束后以1～15℃/min的降溫速率降溫到800℃，然后關閉加熱系統，隨爐冷卻至室溫，即在基體上形成含鋁硅的復合涂層。