一种Ce和Pt共改性铝化物涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体涉及一种Ce和Pt共改性铝化物涂层及其制备方法。

技术背景

镍基高温合金具有优异的高温力学性能，在航空发动机涡轮叶片、导向叶片等热端部件中被大量应用。随着航空发动机向着高推重比、高涡轮进口温度的方向发展，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，这对高温合金热端部件的性能提出了更高的要求。经过约90年的发展，虽然高温合金的高温力学性能有了很大的提高，但是以牺牲其抗高温氧化及热腐蚀性能为代价。为了保证高温合金在苛刻的工作环境中，既具有优异的高温机械性能又兼顾良好的抗高温氧化以及抗热腐蚀性能，必须采取相应的措施来提高其综合性能，最有效的方法就是在高温合金表面上制备高温防护涂层。因此，高温防护涂层技术也成为高性能航空发动机的关键技术之一。

高温防护涂层经历了简单铝化物涂层、改性铝化物涂层、MCrAlY涂层和热障涂层(TBCs)四代的发展。铝化物涂层和MCrAlY涂层既可以作为高温防护涂层直接使用，也可以用作热障涂层体系的金属粘结层，因此这两类涂层的应用较为广泛。铝化物涂层因制备工艺简单，生产成本低，于20世纪60年代被应用到高温合金涡轮叶片。虽然简单铝化物涂层具有优异的抗高温氧化性能，但也存在一些缺点，例如：抗高温热腐蚀性能差、涂层脆性大和氧化膜较易脱落等。因此，为了进一步提高简单铝化物涂层的性能，研究人员在涂层中添加一定量的Si、Cr、Co、Zr、Hf、Y和Pt等元素进行改性，获得改性铝化物涂层以提高简单铝化物涂层的性能。本发明深入研究了稀土Ce元素与Pt元素的添加对铝化物涂层的有利影响，通过特定工艺制备出Ce和Pt共改性铝化物涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ce和Pt共改性铝化物涂层及其制备方法，利用电镀、真空退火处理和外包埋共渗Al和Ce相结合制备了Ce和Pt共改性铝化物涂层，以综合Ce和Pt元素的添加对铝化物涂层的有益作用，提高简单铝化物涂层的高温性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种Ce和Pt共改性铝化物涂层的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)高温合金基体前处理：依次进行抛光、喷砂和超声清洗；

(2)纯Pt层的制备：采用电镀方法在高温合金基体上沉积纯Pt层；

(3)真空退火处理：电镀纯Pt层后在真空退火炉中进行退火，退火处理过程为：首先升温到500～650℃保温1～3h，以除去纯Pt层的应力；然后升温到1100～1180℃保温2～6h，使纯Pt层与高温合金基体发生元素互扩散，保温程序结束后样品随炉冷却到室温。

(4)外包埋共渗Al和Ce：退火处理后，采用外包埋共渗Al和Ce，在高温合金基体上获得Ce和Pt共改性铝化物涂层。

上述步骤(1)中，高温合金基体前处理具体过程为：依次采用180、240、300、400和600目的砂纸进行打磨，之后进行喷砂处理，以去除基体表面的氧化皮；超声清洗时，先在去离子水中超声30～45min，再在丙酮中超声10～30min，以去除可能存在的表面污染物。

上述步骤(2)中，采用电镀方法制备纯Pt层过程中，镀液的组成为：二亚硝基二胺合铂(以Pt当量计算)4～10g/L，其余为去离子水；镀液的pH值为1～3，镀液温度为50～90℃，电流密度为2～10A/dm

上述步骤(3)退火处理过程中：真空退火炉的真空度控制在1.0×10

上述步骤(3)中，经退火处理后，纯Pt层与高温合金基体发生元素互扩散，Pt元素向高温合金基体的扩散深度为10～25μm。

上述步骤(4)中，外包埋共渗Al和Ce在密闭的金属坩埚中进行，渗剂放置于坩埚的底部，样片或工件悬空放置在坩埚的上部，样品和渗剂之间的距离控制在1～3cm。

上述步骤(4)中，外包埋共渗Al和Ce的过程中，所用渗剂由FeAl合金(粉体或块体)、Ce供体和活化剂组成，其中：Ce供体的含量为0.1～3.0wt.％，活化剂含量为0.5～3.0wt.％，余量为FeAl合金粉；FeAl合金粉中Al含量为30～50wt.％；所述Ce供体为CeCl

所述Ce和Pt共改性铝化物涂层总厚度30-80μm；分为两层，底层为互扩散区，表面为铝化物涂层，涂层表面为网状结构。表面铝化物涂层由β相和少量的PtAl

本发明设计机理如下：

Pt元素的添加能够提高铝化物涂层表面氧化膜的粘结性，抑制氧化膜的剥落，减缓涂层中Al元素的消耗，从而延长涂层的使用寿命。本发明稀土元素Ce的添加与Pt协同对涂层性能的提高具有诸多有利作用，例如：稀土元素Ce可以抑制涂层/氧化膜界面处的硫偏析，减弱“硫效应”从而抑制界面处孔隙的形成；聚集在氧化膜的晶界处抑制涂层中的铝元素穿透氧化膜，使氧化膜的生长机制由铝向外扩散控制转变成氧向内扩散控制；在涂层/氧化膜界面处形成氧化物“钉”，起钉扎作用，从而提高氧化膜的粘结性；稀土元素还能够一定程度上优化氧化膜的力学性能。经过研究发现，采用Ce和Pt元素对铝化物涂层进行共改性能够提高涂层表面氧化膜的粘结性，抑制涂层/氧化膜界面处孔隙的形成，降低涂层的氧化增重速率，从而提高铝化物涂层的抗高温氧化性能。

本发明具有以下优点：

1、本发明采用电镀、真空退火和外包埋共渗Al和Ce相结合，制备出Ce和Pt共改性铝化物涂层，涂层中Al、Ce和Pt元素的含量可调控。

2、本发明采用外包埋共渗Al和Ce，不受工件尺寸和形状的影响，通过调控渗铝工艺可以控制涂层的厚度，涂层的可控性强。

3、本发明所制备的Ce和Pt共改性铝化物涂层具有优异的抗高温氧化性能，能有效的保护基体合金，显著的提高发动机热端部件的使用寿命。

4、本发明制备的Ce和Pt共改性铝化物涂层可用于镍基高温合金的防护。

附图说明

图1为电镀Pt层的截面形貌。

图2为真空退火后样品的截面形貌。

图3为Ce和Pt共改性铝化物涂层的截面形貌。

图4为Ce和Pt共改性铝化物涂层的表面形貌。

图5为Ce和Pt共改性铝化物涂层的XRD图谱。

图6为Ce和Pt共改性铝化物涂层1100℃恒温氧化动力增重曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

实施例1

本实施例是在镍基高温合金上制备Ce和Pt共改性铝化物涂层，所用的镍基高温合金的成分为(wt.％)：Co 10.0％，Cr 8.0％，W 11.0％，Al 6.0％，Ti 1.0％，Mo 1.0％，Nb1.5％，C 0.05％，余量为Ni，涂层具体制备过程如下：

首先，对高温合金基体进行打磨和喷砂处理，依次采用150#～600#的SiC砂纸对基体进行打磨；采用180目的Al

然后，对喷砂后的基体进行电化学除油和活化处理，电化学除油在10wt.％的NaOH水溶液中进行，以基体作为阳极，纯镍板作为阴极，采用10A/dm

电镀完成后，将样品进行真空退火处理，以降低基体表面Pt元素的含量。退火过程升温速率为8℃/min，具体过程为：首先升温到650℃并保温2h以去除镀层的应力，然后升温至1100℃条件下扩散6h，最后随炉冷却，图2为真空退火后样品的截面形貌，Pt元素向基体中的扩散深度为20μm左右。

最后进行外包埋共渗Al和Ce，具体的工艺如下：渗剂为Al含量为50wt.％的FeAl合金粉100g，NH

本实施例中，采用XRD检测涂层的相组成。根据图5涂层的XRD图谱分析可知，涂层主要由β相和少量的PtAl

本实施例中，Ce主要分布在PtAl

表1富Ce析出相的具体元素组成

图6给出了Pt改性铝化物涂层以及Ce和Pt共改性铝化物涂层在1100℃下静态空气中的氧化增重曲线。氧化300h之后，Pt改性铝化物涂层的氧化增重为0.74mg/cm

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。