一种Pt-Hf共改性的铝化物涂层及其制备工艺

技术领域

本发明涉及在高温合金基体上制备高温防护涂层的技术领域，具体涉及一种Pt-Hf共改性的铝化物涂层及其制备方法。

背景技术

镍基高温合金由于其优异的高温力学性能在航空发动机和工业燃气轮机中广泛被制成涡轮叶片及其他热端部件。而随着发动机推动比和推重比的增大，涡轮入口温度不断提高，要求相应零件用镍基高温合金的高温力学性能不断提高。因此，研究者们对镍基高温合金的成分和工艺进行改善。镍基高温合金从铸造多晶、定向凝固到单晶，消除了晶界对性能的有害影响，提高了镍基高温合金的承温能力。对于镍基单晶高温合金，为了进一步提高其承温能力，难熔元素(如W、Ta、Re、Ru等)含量逐渐增加。难熔元素可以固溶在γ/γ′相中，起到良好的固溶强化效果，提高材料的高温力学性能。同时，Al含量较高时会降低合金的塑性，因此镍基单晶高温合金中的Al含量一直维持在5.0-6.0wt.％。当镍基高温合金在高温下服役时，由于铝含量低于Al选择性氧化的临界值而发生严重氧化，大量合金元素被消耗，进而降低了材料的高温力学性能。为保证镍基高温合金在服役温度下仍具有优异的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能，普遍做法是在合金表面施加一层或多层高温防护涂层。

高温防护涂层一般包括简单铝化物涂层、改性铝化物涂层，MCrAlY包覆涂层和热障涂层。其中，改性铝化物涂层具有良好的抗高温氧化性能由于较高的铝含量和活性元素的添加。而铝化物涂层中的铝含量在30wt.％左右这远高于镍基单晶高温合金中的铝含量(5.0-6.0wt.％)，服役过程中涂层中的Al扩散到基体中导致涂层下方基体内拓扑密堆相(TCP)的析出。大量研究表明，TCP相的析出会降低基体的力学性能。因此，有研究者提出在基体上电镀一层Pt，随后通过扩散退火获得Pt改性的γ/γ＇涂层，但涂层成分不可调节。因此，本发明专利旨在，提出一种可以调控涂层中Ni、Pt和Al含量的制备工艺制备出各种成分的Pt-Hf共改性的铝化物涂层。

发明内容

本发明目的是提供一种Pt-Hf共改性的铝化物涂层及其制备方法，即运用电镀方法、电弧离子镀技术和真空热处理退火结合的工艺，制备出含Pt和Hf的铝化物涂层，本发明工艺可有效地控制涂层中各种元素的含量，从而获得各种成分的改性铝化物涂层。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种Pt-Hf共改性的铝化物涂层的制备方法，包括如下步骤：

1)基体前处理过程：分别用150#、240#、400#、600#、800#的SiC砂纸对基体进行打磨，然后用200目氧化铝丸对基体表面进行湿喷砂处理，最后依次用去离子水、丙酮和酒精对基体超声清洗10-20min；

(2)基体预处理过程：先用NaOH溶液对基体进行除油处理，再用HCl溶液对基体进行活化处理；

(3)采用电镀与真空热处理结合的工艺制备出Ni/Pt-Hf层：在预处理后的基体表面依次沉积Ni-Hf层、Pt层和Ni-Hf层；然后真空退火处理，获得Ni/Pt-Hf层；

(4)采用电弧离子镀技术沉积纯Al层：在Ni/Pt-Hf层上采用电弧离子镀沉积纯Al层；

(5)真空热处理获得Pt-Hf共改性的铝化物涂层：将沉积有Ni/Pt-Hf层和纯Al层的试样在真空退火炉中进行退火处理，获得Pt-Hf共改性的铝化物涂层。

上述步骤(1)中，所述基体为镍基单晶高温合金；合金利用线切割切成

上述步骤(2)中，所述除油处理过程为：在5-15g/L的NaOH溶液中，基体作为阴极，不锈钢板作为阳极，电流密度为2-15A/dm

上述步骤(3)中，电镀Ni-Hf层所用镀液组成为：硫酸镍为0.1-0.4mol/L，柠檬酸为0.1-0.6mol/L，Hf粉为5-30g/L，氨水适量，其余为去离子水；其中，Hf粉粒径为0.5-2μm，通过氨水的量调整镀液pH为8-9，温度为40-60℃，电流密度为2-6A/dm

上述步骤(3)中，电镀Pt层所用镀液组成为：[Pt(NH

上述步骤(3)中，所述的真空退火处理是将试样置于真空退火炉中，以3-7℃/min的升温速率将退火炉加热到700-1000℃，并在该温度下保温3-10h，随后随炉冷却至室温。

上述步骤(4)中，电弧离子镀沉积纯Al的过程中：靶材为纯Al靶，弧电流60-90A，弧电压20-30V，沉积时间20-110min；所获得的纯Al层的厚度为3-18μm。

上述步骤(5)中，所述的退火处理是将试样置于真空退火炉中，以5-10℃/min的升温速率将退火炉加热到950-1100℃，并在该温度下保温1-4h，随后随炉冷却至室温。

采用上述方法在镍基高温合金表面制备了Pt-Hf共改性的铝化物涂层。Hf固溶到涂层中后均匀分布。涂层和基体之间的互扩散区的范围较小。依据涂层相组成的需要可以通过调整沉积时间获得不同Ni、Pt、Al含量。Pt-Hf共改性的铝化物涂层应用于燃气轮机叶片的表面防护。

本发明具有如下优点：

1、本发明所制备的Pt-Hf共改性的铝化物涂层，涂层与基体间的互扩散区厚度在20μm以内，且具有优异的抗高温氧化性能。

2、本发明通过调节电镀沉积时间和电弧离子镀沉积时间，可控制涂层的化学成分，调节涂层的相组成。

3、本发明所涉及的Pt-Hf共改性的铝化物涂层可以有效缓解高温氧化过程中涂层和基体之间的互扩散，降低互扩散区和二次反应区的厚度。

附图说明

图1为Ni/Pt-Hf层的截面形貌。

图2为Pt-Hf共改性的γ/γ′铝化物涂层的XRD图谱。

图3为Pt-Hf共改性的γ/γ′铝化物涂层的截面形貌。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。

实施例1

镍基高温合金基体化学成分如下(wt.％)：Cr：4.0％，Co：12.0％，W：6.0％，Al：6.0％，Nb：0.15％，Mo：1.0％，Ta：8％，Re：5.0％，Ru：3.0％，其余为Ni。使用线切割将高温合金切割成

对试样进行表面处理。先依次使用150#、240#、400#、600#、800#的SiC砂纸先对试样进行打磨并倒角；然后采用200目氧化铝丸对试样进行湿喷砂处理；最后将试样依次在去离子水、丙酮和酒精中分别超声清洗15min。

对试样进行预处理，即先电化学除油，再活化处理。电化学除油工艺为:在5g/L的NaOH溶液中，基体作为阴极，不锈钢板作为阳极，电流密度为8A/dm

将预处理后的试样放入电镀液进行电镀Ni-Hf。镀液的成分为：硫酸镍为0.1-0.4mol/L，柠檬酸为0.1-0.6mol/L，Hf粉为5-30g/L，氨水适量，其余为去离子水。其中，Hf粉的粒径为1-5μm，电镀工艺为：通过氨水调节镀液pH为9，温度为50℃，在电流密度为4A/dm

采用电弧离子镀技术，在Ni/Pt-Hf层上沉积Al层。Al层的厚度为5μm。详细电弧离子镀工艺见表1。

表1电弧离子镀沉积Al层工艺

将沉积Al层的试样放入真空退火炉中，加热到1050℃保温2h后，随炉冷却。加热速率为10℃/min。

在本实施例中。图1为退火后得的Ni/Pt-Hf层的截面形貌。可以看出，Ni/Pt-Hf层的厚度约为20μm，白色的Hf颗粒分布在Ni/Pt-Hf层和基体的界面处。

图2为Pt-Hf共改性的γ/γ′铝化物涂层的XRD图谱。可以看出，该涂层由γ/γ′双相组成。

图3为Pt-Hf共改性的γ/γ′铝化物涂层的截面形貌。可以看出，该涂层与基体间的互扩散区较小约为10μm，且没有TCP相析出。结合EDS的结果可知，该涂层的化学成分为8.0Al-43.4Ni-46.0Pt-1.6Co-0.7Cr-0.3Hf(wt.％)。