一種優化鎳基單晶高溫合金n5性能的梯度涂層方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，屬于合金性能優化技術領域。
【背景技術】
[0002]電弧離子鍍由于其高離化率、高能量密度、高生產效率、低能耗、低成本等特點，在制備高結合強度、高致密組織的優質MCrAlY涂層和實現工業化生產等方面已顯示出了其優勢。電弧離子鍍MCrAlY涂層已應用于航空發動機中渦輪葉片的防護，而其發展前景也被普遍看好。
[0003]高溫防護涂層的性能及使用壽命，與涂層的厚度和涂層中儲Al相的多少有著直接關系，涂層愈厚，儲Al相愈多，涂層的使用壽命就會相應增加。然而，涂層中的Al含量提高到一定程度后，涂層的脆性增加、熔點較低，嚴重影響涂層的使用性能，而且要制備出高Al含量的電弧離子鍍靶材也是比較困難的。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的問題:提供一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，旨在提高合金涂層性能，以滿足工業要求。
[0005]本發明的技術方案:
一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，用鎳基單晶高溫合金N5做基體，用SiC砂紙逐級打磨至800號，對其進行200目玻璃丸濕噴，然后經金屬洗滌劑、去離子水超聲清洗，烘干；利用國產MIP-8-800型電弧離子鍍設備沉積NiCoCrAlYSiB涂層和AlSiY涂層；將沉積后的兩種試樣在真空環境中進行擴散處理，升溫速度控制在5°C /min，加熱到900°C后保溫4h，即得到退火態的普通涂層和梯度涂層。
[0006]所述的iCoCrAlYSiB涂層厚度為40 μ m。
[0007]所述的AlSiY涂層厚度為10 μ m。
[0008]本發明的有益效果:
I)采用電弧離子鍍制備的普通NiCoCrAlYSiB涂層和NiCoCrAlYSiB+AlSiY梯度涂層在退火前后組織均勻致密，與基體結合良好。退火處理后，普通涂層是由Y Vy相和彌散其中的點狀β-NiAl相構成；梯度涂層分為兩層，外層以β-(Ni，Co)Al相為主，還有少量的Cr3Si相和σ-NiCoCr，內層和普通涂層的結構相似。退火后的梯度涂層形成了外層富Al、內層富Cr的梯度分布。
[0009]2)普通涂層在1000°C下有較好的保護性能，再高溫度時就會快速退化，表面逐漸生成了保護性較差的尖晶石相和混合氧化物，甚至出現嚴重的內氧化現象；梯度涂層在三個溫度下均表現出良好的保護性能，1100°c度下氧化300h后仍有大量的β -NiAl相存在，1150°C下氧化300h后涂層Al含量仍在9 wt.%左右，少量的β-NiAl相和過飽和的Y Vy相維持表面氧化鋁膜的形成和修復。
[0010]3)梯度涂層采用Al元素外高內低呈梯度分布的結構，不僅提高了涂層中Al含量，而且減緩了涂層中Al元素向基體中的的擴散；同時增加了涂層中Si和Y元素的含量，提高氧化膜的粘附性，大大減少了氧化膜的開裂和剝落，對延長涂層壽命有較大的幫助。
[0011]4)隨著涂層中Al元素的消耗，涂層組織發生β -NiAl — β -Ν?3Α1 — β -Ni的轉變。當涂層中Al元素含量不高時，這種轉變更快，相轉變的同時伴隨著體積收縮，在涂層內部以及涂層與基體的界面處就容易產生孔洞。孔洞會使涂層與基體的結合力下降；涂層與基體的互擴散區形成的空洞會降低體系的疲勞強度。普通涂層產生孔洞要早于梯度涂層，并且空洞數量也明顯多于梯度涂層。
[0012]【附圖說明】:
圖1是沉積態的普通NiCoCrAlYSiB涂層和NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂層的X射線衍射結果;
圖2是退火態的普通涂層和梯度涂層的X射線衍射結果；
圖 3 是普通 NiCoCrAlYSiB 涂層(a), (c)和 NiCoCrAlYSiB+AlSiY 涂層(b)，(d)沉積態的表面SEM形貌(a)，(b)和截面BSE形貌(c)，(d)；
圖4是普通涂層(a)，(c)和梯度涂層(b)，(d)退火態的表面SEM形貌(a)，(b)和截面BSE 形貌(c)，(d)；
圖5是退火處理后的梯度涂層截面元素EPMA分布圖；
圖6是梯度涂層退火后的截面元素面分布圖。
[0013]【具體實施方式】:
實施例:
用鎳基單晶高溫合金N5做基體，將其加工成Φ 15_X 1.5mm的試樣，用SiC砂紙逐級打磨至800號(將所有棱角邊倒成圓角)，進行200目玻璃丸濕噴，然后經金屬洗滌劑、去離子水超聲清洗，烘干。利用國產MIP-8-800型電弧離子鍍設備沉積NiCoCrAlYSiB涂層和AlSiY涂層。在基體上沉積NiCoCrAlYSiB涂層，厚度在40 μ m左右，作為普通涂層；然后再普通涂層上再沉積厚度大約為10 μ m的AlSiY涂層即得到NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂層。將沉積后的兩種試樣在真空環境中進行擴散處理，升溫速度控制在5°C /min，加熱到900°C后保溫4h，即得到退火態的普通涂層和梯度涂層。具體工藝參數和工藝路線見第二章。
[0014]采用日本理學D/max-RA轉靶試X光衍射儀(XRD，CuKa)、帶有X射線能譜分析(EDS)的掃描電鏡(SEM)對涂層的相結構及表面、截面形貌進行表征，并用電子探針測定(EPMA)測定涂層中的元素成分及分布。
[0015]圖1為普通NiCoCrAlYSiB涂層和NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂層沉積態的X射線衍射結果。可以看出沉積態的普通涂層主要由、1、相和少量的β-NiAl相構成，沉積態的涂層衍射峰有類似非晶特征的“饅頭峰”出現，而且峰有明顯寬化。出現“饅頭峰”可能跟電弧離子鍍技術較低的沉積溫度(200?400°C)有關，從靶材飛來的金屬熔滴在基材表面快速冷卻，液滴來不及晶化，故涂層以非晶或微晶的形態存在；衍射峰寬化這說明涂層內部殘余應力較大。通常情況下XRD的衍射圖譜只能反映1ym厚度內的相組成，所以NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂層的衍射結果僅為AlSiY層(厚度在10 μ m左右)的沉積態相組成，主要有Al和Si的峰組成，Al熔點低且含量較高，故AlSiY層的晶粒能夠長大。圖2是兩種涂層900°C退火處理4h后的XRD衍射結果。與退火前相比普通涂層的衍射峰明顯變窄，涂層中β-NiAl峰的強度有所增加。這是因為在退火過程中，涂層由非穩態向穩態相轉變，原來溶解在、1、中的Al元素超出其溶解度，然后以β-NiAl相沉淀析出。而NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂層退火后表面的衍射峰幾乎全部由β相的衍射峰構成，此時的涂層被稱為“梯度涂層”
圖3(a)和(b)分別為兩種涂層沉積態的表面SHM形貌，從圖中可以看出，用電弧離子鍍技術沉積出的涂層表面起伏不大，仔細觀察可以發現涂層是由小顆粒緊密的團聚而成。兩種涂層沉積態的截面BSE形貌如圖3 (c)和(d)所示，普通涂層厚度在40 μ m左右，梯度涂層退火前是由40 μ m左右厚的普通涂層和10 μ m左右厚的AlSiY涂層組成。兩種涂層與基體結合良好，涂層中有少許的微孔，總體來說涂層較為致密。
[0016]圖4是兩種涂層退火處理后的表面SEM形貌(a) (b)及截面BSE形貌(c) (d)。普通涂層退火后的表面形貌跟沉積態差別不大，如圖4(a)所示。圖4(b)是退火態的梯度涂層經表面噴砂處理后的形貌，可以看出梯度涂層表面有很多的小孔洞和長條狀的壓痕。小孔洞是梯度涂層退火處理過程中，Al元素向內擴散，在原來的AlSiY層產生的Kirkendall孔洞，涂層表面變的疏松多空[9]。疏松層將影響后續的高溫氧化實驗結果，故對退火后的梯度涂層進行噴砂處理以除掉表面不利的疏松層。長條狀的壓痕即是噴砂處理留下來的痕跡。圖4(c)是普通涂層退火態的截面形貌，和沉積態相比退火后的涂層更為致密，涂層和基體的界面變的模糊，兩者發生一定的互擴散，適量的互擴散有助于結合力的提高，這一點很有實用價值。此外，退火后的普通涂層中有顏色較深的相析出，經H)S的結果顯示N1:Al接近1:1，為β-NiAl相，XRD的結果也印證了這一點；顏色較淺的為γ/γ相。總體來說普通涂層是由、1、相為主和分布其中的點狀β-NiAl相組成,涂層厚度在40 μ m左右。圖4(d)是梯度涂層退火后的截面形貌，從中可以看出梯度涂層致密并與基體有一定的互擴散，在涂層外側確實看到Kirkendall孔洞的殘留。梯度涂層主要分為兩層，外層主要為β -NiAl相，內層和普通涂層的結構相似，只是點狀的β -NiAl相分布的較普通涂層密集，外層厚度在30 μ m左右，內層厚度在20 μ m左右。梯度涂層外層和內層中的Al存在一定的梯度，外層的β-NiAl層自身的襯度也有一定的差別，外側顏色更深一些，說明β-NiAl層也存在Al的梯度分布。
[0017]圖5是梯度涂層退火后的截面元素分布圖(分析線的位置在圖4(d)中給出，EPMA每隔4μπι打一個點)。梯度涂層主要含有N1、Co、Cr、Al四種元素，Co元素的含量在涂層中隨著深度的變化不大；Ni元素變化也不是很大，外層含量稍高;A1元素呈現出外高內低的趨勢分布；Cr元素則剛好相反，呈現出外低內高的變化趨勢。退火過程中Al向內擴散為主，形成Al元素外高內低的分布，可能Cr在不同相中固溶度不同，也出現了一種梯度分布。
[0018]圖6為梯度涂層退火后的截面元素面分布圖，從中可以看出，Al主要富集在復合涂層的外層，Cr主要富集在復合涂層的內層。結合XRD和EPMA線掃結果可知，退火后復合涂層由外層、內層兩層組成。外層主要是β-(Ni，Co)Al相，還有一些彌散分布的O-NiCoCr和Cr3Si相存在。內層主要是一些富Cr相和y/Y '相，還有少量點狀β-(Ni，Co)Al相。
【主權項】
1.一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，其特征在于:用鎳基單晶高溫合金N5做基體，用SiC砂紙逐級打磨至800號，對其進行200目玻璃丸濕噴，然后經金屬洗滌劑、去離子水超聲清洗，烘干；利用國產MIP-8-800型電弧離子鍍設備沉積NiCoCrAlYSiB涂層和AlSiY涂層；將沉積后的兩種試樣在真空環境中進行擴散處理，升溫速度控制在5°C /min，加熱到900°C后保溫4h，即得到退火態的普通涂層和梯度涂層。2.根據權利要求1所述的一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，其特征在于:所述的iCoCrAlYSiB涂層厚度為40 μ m。3.根據權利要求1所述的一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，其特征在于:所述的AlSiY涂層厚度為10 μ m。
【專利摘要】本發明公開了一種優化鎳基單晶高溫合金N5性能的梯度涂層方法，用鎳基單晶高溫合金N5做基體，用SiC砂紙逐級打磨至800號，對其進行200目玻璃丸濕噴，然后經金屬洗滌劑、去離子水超聲清洗，烘干；利用國產MIP-8-800型電弧離子鍍設備沉積NiCoCrAlYSiB涂層和AlSiY涂層；將沉積后的兩種試樣在真空環境中進行擴散處理，升溫速度控制在5℃/min，加熱到900℃后保溫4h，即得到退火態的普通涂層和梯度涂層；本發明旨在提高合金涂層性能，以滿足工業要求。
【IPC分類】C23C14/58, C23C14/32, C23C14/16
【公開號】CN105525259
【申請號】CN201410512505
【發明人】王曉芳
【申請人】王曉芳
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2014年9月29日