一种提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能的预处理方法

技术领域

本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能的预处理方法。

背景技术

服役于严酷高温环境的先进航空发动机涡轮叶片等热端部件亟需发展高抗氧化性的MCrAlY涂层防护技术，目前通常采用热喷涂或者激光增材制造的方法制备该涂层。MCrAlY涂层在高温服役条件下，涂层表面不可避免形成氧化膜（TGO）并不断增厚。TGO主要由复合氧化物（MO）和α-Al

热喷涂和激光增材制造MCrAlY涂层表面难免产生大量的与涂层本体结合较弱的飞溅颗粒。高温氧化过程中，飞溅颗粒与MCrAlY涂层本体的弱结合使其出现贫铝现象，导致复合氧化物的提前生成，影响MCrAlY涂层的抗氧化性能。

发明内容

针对现有热喷涂/激光增材制造MCrAlY涂层含有以上不可避免的缺陷，本发明提供一种提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能的预处理方法。本发明的两步预处理方法能够提高热喷涂/激光增材制造MCrAlY涂层表面飞溅颗粒与其下部涂层的结合，消除飞溅颗粒的不良影响，有效抑制涂层表面复合氧化物的生成，增大涂层表面氧化铝膜晶粒尺寸，减缓离子在氧化膜中扩散速率，降低涂层表面氧化膜生长速率，显著提高涂层抗高温氧化性能。

本发明所述一种提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能的预处理方法，包括以下步骤：

步骤S1，用经除油除湿的压缩空气将热喷涂/激光增材制造制备的MCrAlY涂层表面灰尘和杂质去除；

步骤S2，将Al粉加入盛有少量电镀液的烧杯中，充分搅拌后，将烧杯放入40~70 ℃水浴中静置10 min以使Al粉全部润湿而形成浆料，将所述浆料加入到电镀液中，制备出Al粉含量为10~20 g/L的混合镀液；

用电动搅拌器对所述混合镀液进行机械搅拌（转速为150~200 r/min），时间1 h，使Al粉均匀悬浮在混合镀液中，再将混合镀液置于超声发生器中振荡15 min（功率为23~40KHZ），将经振荡的混合镀液置于可控温度的电镀槽中，温度设置为40~60 ℃，再用电动搅拌器对电镀槽中混合镀液进行机械搅拌（转速为150~200 r/min），待混合镀液温度稳定后将作为阳极的Ni板和表面清洁的作为阴极的MCrAlY涂层置入其中，采用复合电沉积在涂层表面制备一层厚度为0.3~0.7 μm、Al粉复合量为13%~45%的Ni-Al复合薄膜，然后将涂层取出，用去离子水冲洗后，放入烘箱中烘干；

步骤S3，将经步骤S2处理后的涂层放入管式气氛热处理炉中，炉管中通可控气氛，对涂层进行可控气氛预氧化处理，在涂层表面预制一层厚度为0.3~0.6 μm的α-Al

进一步的，所述步骤S2中，所述Al粉粒度为20~300 nm、纯度大于99.9%；

所述电镀液为硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠的水溶液，其中硫酸镍浓度为250~300 g/L，氯化镍浓度为35~45 g/L，硼酸浓度为30~40 g/L，十二烷基硫酸钠浓度为0.05~0.2 g/L，电镀液pH为3~4。

进一步的，所述步骤S2中，所述复合电沉积的电流密度为0.5~2 A/dm

进一步的，所述步骤S2中，所述去离子水冲洗的流速为0.5~1 L/min，时间为2~5min，所述烘箱烘干的温度为80~120 ℃，时间为1-2 h。

进一步的，所述步骤S3中，所述可控气氛为纯度99.999%的氩气，气流量为1~3 L/min，氧分压为10

进一步的，所述步骤S3中，所述可控气氛预氧化温度为800~1100 ℃，保温时间为1~5 h。

本发明有益效果为：本发明所述一种提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能的预处理方法，是对热喷涂/激光增材制造MCrAlY涂层进行两步预处理：第一步、采用复合电沉积的方法在MCrAlY涂层表面预制一层厚度为0.3~0.7 μm的Ni-Al复合薄膜（Al颗粒弥散分布于Ni中），提高涂层表面飞溅颗粒与其下部涂层的结合；第二步、对表面预制了Ni-Al复合薄膜的MCrAlY涂层进行可控气氛预氧化处理，在其表面生成一层厚度为0.3~0.6 μm的α-Al

本发现与现有技术相比有以下有益效果：

1. 本发明采用复合电沉积在热喷涂/激光增材制造MCrAlY涂层表面预制一层厚度为0.3~0.7 μm的Ni-Al复合薄膜（Al颗粒弥散分布于Ni中），将热喷涂/激光增材制造MCrAlY涂层表面大量与涂层本体结合较弱的飞溅小颗粒包裹起来，从而提高飞溅颗粒与MCrAlY涂层本体的结合，有效抑制高温氧化过程中MCrAlY涂层表面复合氧化物MO的生成，提高涂层抗高温氧化性能。

2. 本发明使用的可控气氛预氧化处理可在预制了Ni-Al复合薄膜的热喷涂/激光增材制造MCrAlY涂层表面生成一层一定厚度均匀致密连续的纯α-Al

3. 本发明的预处理方法适用于所有热喷涂/激光增材制造合金涂层（包括但不限于MCrAlY涂层）抗高温氧化性能的优化。

4. 本发明的预处理方法可根据具体工况要求，在工艺参数合理范围内调整，改善涂层的抗高温氧化性能。

5. 本发明的预处理方法工艺简单，操作性强，成本低，可批量生产，在航空航天、武器装备、电力、冶金、化工等领域有着良好的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明一种提高MCrAlY涂层抗高温氧化性能的预处理方法对MCrAlY涂层结构影响的示意图；

图2为本发明的实施例1的CoNiCrAlY涂层在1000 ℃空气中氧化200 h抛光截面形貌。其中，Ni plating为化学镀镍防护层；

图3为本发明的实施例2的CoNiCrAlY涂层在1000 ℃空气中氧化200 h抛光截面形貌；

图4为本发明的实施例3的NiCrAlY涂层在1000 ℃空气中氧化100 h抛光截面形貌；

图5为本发明的对比例1的CoNiCrAlY涂层在1000 ℃空气中氧化200 h抛光截面形貌；其中，MO为复合氧化物。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤1：CoNiCrAlY涂层前处理

用经除油除湿的压缩空气将激光增材制造制得的CoNiCrAlY涂层（厚约1.6 mm）表面灰尘和杂质去除；

步骤2：复合电沉积预制Ni-Al复合薄膜

将粒度为20~300 nm、纯度大于99.9 %的Al粉加入盛有少量电镀液的烧杯中，用玻璃棒充分搅拌，将烧杯放入60 ℃水浴中静置10 min以使Al粉全部润湿而形成浆料，随后再把制得的浆料加入到电镀液中，制备出Al粉含量为15 g/L的混合镀液；对混合镀液进行机械搅拌，转速150 r/min，时间1 h，使Al粉均匀悬浮在混合镀液中，再将混合镀液置于超声发生器中振荡15 min（功率为28 KHZ）；将经振荡的混合镀液置于可控温度的电镀槽中，温度设置为50 ℃，用电动搅拌器对混合镀液进行搅拌，转速为150 r/min，待混合镀液温度稳定后将Ni板和步骤1中表面清洁的CoNiCrAlY涂层置入其中，Ni板作为阳极，CoNiCrAlY涂层作为阴极，采用恒流法设置电流密度为0.5 A/dm

电镀液：硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠的水溶液，采用纯水为溶剂，硫酸镍浓度为250 g/L，氯化镍浓度为35 g/L，硼酸浓度为30 g/L，十二烷基硫酸钠浓度为0.05g/L。

步骤3：可控气氛预氧化处理

将经步骤2处理后的涂层放入管式气氛热处理炉中，炉管中通纯度99.999 %的氩气，气流量控制为2 L/min，氧分压为10

经本发明预处理的激光增材制造CoNiCrAlY涂层表面飞溅颗粒与涂层本体的结合良好，涂层表面形成了一层较薄且连续均匀致密的α-Al

实施例2

步骤1：CoNiCrAlY涂层前处理

用经除油除湿的压缩空气将激光增材制造制得的CoNiCrAlY涂层（厚约1.6 mm）表面灰尘和杂质去除；

步骤2：复合电沉积预制Ni-Al复合薄膜

将粒度为20~300 nm、纯度大于99.9 %的Al粉加入盛有少量电镀液的烧杯中，用玻璃棒充分搅拌，将烧杯放入60 ℃水浴中静置10 min以使Al粉全部润湿而形成浆料，随后再把制得的浆料加入到配制好的电镀液中，制备出Al粉含量为10 g/L的混合镀液；对混合镀液进行机械搅拌，转速150 r/min，时间1 h，使Al粉均匀悬浮在混合镀液中，再将混合镀液置于超声发生器中振荡15 min（功率为28 KHZ）；将经振荡的混合镀液置于可控温度的电镀槽中，温度设置为50 ℃，用电动搅拌器对混合镀液进行搅拌，转速为150 r/min，待混合镀液温度稳定后将Ni板和步骤1中表面清洁的CoNiCrAlY涂层置入其中，Ni板作为阳极，CoNiCrAlY涂层作为阴极，采用恒流法设置电流密度为1 A/dm

电镀液：硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠的水溶液，采用纯水为溶剂，硫酸镍浓度为250 g/L，氯化镍浓度为35 g/L，硼酸浓度为30 g/L，十二烷基硫酸钠浓度为0.05g/L。

步骤3：可控气氛预氧化处理

将经步骤2处理后的涂层放入管式气氛热处理炉中，炉管中通纯度99.999 %的氩气，气流量控制为2 L/min，控制氧分压为10

经本发明预处理的激光增材制造CoNiCrAlY涂层表面飞溅颗粒与其下部涂层本体的结合良好，涂层表面生成了一层较薄且连续均匀致密的α-Al

实施例3

步骤1：NiCrAlY涂层前处理

用经除油除湿的压缩空气将低压等离子喷涂制得的NiCrAlY涂层（厚约1.6 mm）表面灰尘和杂质去除；

步骤2：复合电沉积预制Ni-Al复合薄膜

将粒度为20~300 nm、纯度大于99.9 %的Al粉加入盛有少量电镀液的烧杯中，用玻璃棒充分搅拌，将烧杯放入60 ℃水浴中静置10 min以使Al粉全部润湿而形成浆料，随后再把制得的浆料加入到配制好的电镀液中，制备出Al粉含量为10 g/L的混合镀液；对混合镀液进行机械搅拌，转速150 r/min，时间1 h，使Al粉均匀悬浮在混合镀液中，再将混合镀液置于超声发生器中振荡15 min（功率为28 KHZ）；将经振荡的混合镀液置于可控温度的电镀槽中，温度设置为50 ℃，用电动搅拌器对混合镀液进行搅拌，转速为150 r/min，待混合镀液温度稳定后将Ni板和步骤1中表面清洁的NiCrAlY涂层置入其中，Ni板作为阳极，NiCrAlY涂层作为阴极，采用恒流法设置电流密度为1 A/dm

电镀液：硫酸镍、氯化镍、硼酸和十二烷基硫酸钠的水溶液，采用纯水为溶剂，硫酸镍浓度为250 g/L，氯化镍浓度为35 g/L，硼酸浓度为30 g/L，十二烷基硫酸钠浓度为0.05g/L。

步骤3：可控气氛预氧化处理

将经步骤2处理后的涂层放入管式气氛热处理炉中，炉管中通纯度99.999 %的氩气，气流量控制为2 L/min，控制氧分压为10

经本发明处理的低压等离子喷涂NiCrAlY涂层表面飞溅颗粒与其下部涂层本体的结合良好，涂层表面形成了一层较薄且连续均匀致密的α-Al

对比例1

用压缩空气将激光增材制造CoNiCrAlY涂层（厚约1.6 mm）表面灰尘和杂质去除。将其直接在1000 ℃空气环境中氧化200 h，观察其抛光截面形貌（图5）可知，该涂层表面生成了连续的双层氧化膜（外层为复合氧化物，内层为α-Al