一种提高涂层/合金基体界面稳定性的Ni-Al/MCrAlY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，具体涉及一种提高涂层/合金基体界面稳定性的Ni-Al/MCrAlY涂层及其制备方法。

技术背景

高温合金有着优异的高温力学性能，广泛应用为航空发动机和燃气轮机关键热端部件材料。几十年来，高温合金经历了从铸造多晶、定向凝固到单晶的发展，其高温力学性能得到了显著提高，但却在一定程度上牺牲了抗高温氧化和抗热腐蚀性能。由于高温合金中的Al/Cr含量较低，无法形成连续致密的氧化膜来抵抗高温氧化和热腐蚀的侵害。为了兼顾高温合金在严苛服役条件下的力学性能、抗高温氧化及抗热腐蚀性能，最有效的方式是在高温合金表面施加高温防护涂层。

MCrAlY涂层具有优良的抗高温氧化、抗热腐蚀性能，且其成分可以灵活调控、厚度易于控制，常施加于航空发动机和燃气轮机关键热端部件表面，作为热障涂层的粘结层或单独作为高温防护涂层使用。在高温服役过程中，MCrAlY涂层与Ni基高温合金在化学成分梯度的作用下会发生严重的元素互扩散，降低涂层/合金界面的稳定性。尤其对于单晶高温合金，此类元素互扩散会破坏合金的γ-γ′共格结构，导致二次反应区(SRZ)及拓扑密堆相(TCP)的出现，严重恶化合金的高温力学性能。因此，探索一种提高MCrAlY涂层与Ni基高温合金界面稳定性的涂层制备方法，对于改善高温合金的力学性能和服役寿命具有重要意义。

电弧离子镀技术镀膜的沉积效率高、绕镀性好，结合后续真空退火处理，可以获得成分均匀、结构致密、与合金基体结合强度高的涂层，是制备MCrAlY涂层的常用方法之一。相关应用文献如：①中国发明专利，一种MCrAlY加复合梯度涂层及制备工艺，申请号200710011431.8；②中国发明专利，一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备工艺，申请号200810228097.6；③中国发明专利，一种NiCrAlYSc涂层及其制备工艺，申请号201810955193.4等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高涂层/合金基体界面稳定性的Ni-Al/MCrAlY涂层及其制备方法，该方法在MCrAlY涂层与基体Ni基高温合金之间引入Ni-Al涂层，大幅减轻了涂层与合金基体之间的元素互扩散，从而达到提高MCrAlY涂层与基体Ni基高温合金界面稳定性的目的。尤其对于Ni基单晶高温合金，引入Ni-Al涂层能极大幅度降低了SRZ中TCP相的析出倾向，减轻涂层对Ni基单晶高温合金力学性能的不利影响。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种提高涂层/合金基体界面稳定性的Ni-Al/MCrAlY涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)对高温合金基体进行表面处理，所述表面处理的过程为：首先采用砂纸打磨合金基体，再采用100～220目氧化铝对基体进行喷砂处理，然后分别用金属洗涤剂和去离子水超声清洗15～30min，烘干后装入电弧离子镀设备的炉腔内。

(2)对基体进行偏压轰击清洗，其过程为：合金基体装炉后，先将炉内真空抽至2×10

(3)沉积Ni-Al涂层，涂层沉积过程中：靶基距为60～300mm，弧电流为70～90A，弧电压为19～25V，脉冲偏压为-150～-300V，脉冲偏压的占空比为20％～40％，沉积温度为80～300℃，沉积时间为60～300min。所选用靶材的化学成分(质量百分比)为：Al为3％～40％，余量为Ni。

(4)在步骤(3)沉积的Ni-Al涂层上继续沉积MCrAlY涂层(M＝Ni和/或Co)。

(5)对步骤(4)沉积有Ni-Al涂层和MCrAlY涂层的试样进行真空退火处理，退火温度为850～1000℃，升温速率≤10℃/min，保温时间为3～5h，保温结束后随炉冷却至室温。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明在MCrAlY与Ni基高温合金基体之间引入的Ni-Al涂层减轻了涂层与基体之间的元素互扩散，提高了涂层/合金界面的稳定性，弱化了涂层对合金基体力学性能的恶化。本发明对涂层/Ni基单晶高温合金界面稳定性的改善效果尤为明显。

2、采用电弧离子镀加真空退火相结合的方法获得Ni-Al+MCrAlY涂层，该涂层制备工艺简单，涂层厚度易控，工艺重复性好，易于实现产业化推广。

附图说明

图1为退火后Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层的截面SEM形貌。

图2为NiCoCrAlYHfZr涂层和Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层在1150℃下不同氧化时间的截面形貌(a,c,e分别是NiCoCrAlYHfZr涂层氧化100h，150h，200h的截面形貌，b,d,f分别是Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层氧化100h，150h，200h的截面形貌。

具体实施方式

下面通过实施例及附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例旨在提高NiCoCrAlYHfZr涂层与Ni基单晶高温合金界面的稳定性，采用的高温合金基体的名义成分为(质量百分比)：Cr 3.5％，Co9％，W 6％，Al 6％，Mo 1.5％，Re 4％，余量为Ni，试样尺寸为Φ16×1.5mm，采用线切割在试样边缘加工了一直径为1.5mm的小孔，便于悬挂试样。沉积Ni-Al涂层前，采用砂纸将合金基体逐级打磨至800目，接着采用120目氧化铝进行湿喷砂处理，然后分别用金属洗涤剂(沈阳市硅胶厂有限公司生产的型号为83-415-419型高效能金属洗净剂)和去离子水分别超声清洗15min，烘干后将合金基体装入电弧离子镀设备炉腔内；将炉腔真空抽至6×10

将沉积的涂层试样放入石英管内先抽真空，后充入Ar气密封，然后将石英管置入马弗炉中，升温到900℃并保温4h，升温速率为10℃/min，保温结束后随炉冷却至室温。

本实施例首先在Ni基单晶高温合金基体上沉积Ni-Al涂层，继而沉积了NiCoCrAlYHfZr涂层，所制备的Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层试样退火后的截面形貌如图1所示。涂层厚度约为50μm。涂层与基体发生了轻微的互扩散。

NiCoCrAlYHfZr与Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层在1150℃下不同氧化时间的截面形貌如图2所示。从图2可以看出，Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层的SRZ厚度明显小于NiCoCrAlYHfZr涂层。

实施例结果表明，本发明通过电弧离子镀加后续真空退火的方法在高温合金基体上沉积Ni-Al+NiCoCrAlYHfZr涂层，Ni-Al层的引入显著抑制了SRZ中TCP相的析出倾向，改善了涂层与合金基体界面的稳定性。该涂层制备方法可应用于提高NiCoCrAlYHfZr涂层与Ni基单晶高温合金界面的稳定性。

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。