專利名稱：一種MCrAlY+AlSiY復合涂層及制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及高溫防護涂層技術，具體地說是一種MCrAIY+AISiY復合涂層及制備 方法。
背景技術：
MCrAlY(M = Ni， Co或Ni+Co)涂層在鎳基高溫合金的防護上取得良好的效果，而 且成分和厚度可按要求控制，滿足不同使用工況條件的要求，因此作為高溫防護涂層和熱 障涂層粘結底層已廣泛應用于燃氣輪機葉片的高溫防護。相關應用的文獻如①中國發明 專利，一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法，申請號01133423. 1 ;②中國發明專利，一種抗氧 化熱障涂層及制備方法，申請號02133193. 6 ;③中國發明專利，一種抗熱沖擊熱障涂層的 制備方法，申請號03133344. 3 ;④中國發明專利，一種NiCoCrAlYSiB抗熱腐蝕涂層及其制 備方法，申請號03111363. X ;等等。 多年來的研究表明，MCrAlY涂層中，Cr與Al是形成保護性氧化膜的元素，對于高 溫合金及高溫防護涂層部件，長時間的高溫氧化、腐蝕以及涂層與基體的元素互擴散導致 Al、 Cr元素被大量消耗，從而使涂層體系失效。因此，通過提高MCrAlY涂層內Al、 Cr的含 量可以有效地延長涂層使用壽命。但過高A1、 Cr含量會導致涂層脆性增加，熔點降低，不 利于涂層部件冷熱交替循環工作。采用梯度復合涂層的設計可以很好地解決這些問題。Cr 和A1梯度分布時，不會對力學性能產生很大影響。此外，梯度分布的設計還可以提高界面 結合，改善應力分布。
發明內容
為了延緩高溫防護涂層的退化，延長涂層的使用壽命，本發明的目的在于提供一 種外層富A1而內層富Cr的呈梯度分布的(MCrAIY+AISiY)復合涂層及其制備方法。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是 —種MCrAIY+AISiY復合涂層，在常規MCrAlY涂層上沉積AlSiY涂層，形成外層 富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層，該復合涂層表層Al元素濃度為18 22wt%，內層Cr元素濃度為28 45wt%。 本發明在電弧離子鍍(AIP，即Arc Ion Plating)方法沉積的常規MCrAlY涂層上 沉積AlSiY涂層，隨即采用真空擴散退火的方法來制備外層富Al而內層富Cr的呈梯度分 布的MCrAlY復合涂層。 所述常規MCrAlY涂層合金體系成分(即靶材合金成分)，按質量百分比為，Co : 0 40， Cr :15 40， Al :6 16， Y :0. 1 1， Si :0 2， B :0. 01 0. 03%， Ni :余量。
所述MCrAlY+AlSiY復合涂層的具體制備方法為1)電弧離子鍍(AIP)制備常規 MCrAlY涂層；2)在常規MCrAlY涂層基礎上沉積AlSiY涂層；3)真空擴散退火，最終獲得外 層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層。 采用電弧離子鍍技術沉積常規MCrAlY涂層時，首先將真空室真空預抽至2X 10—3 IX 10—2pa，通入Ar氣，使真空室壓強升至5X 10—2 3X 10—中a ;然后對樣品進行 預濺射轟擊清洗，耙基距為230 250mm，脈沖偏壓為-800 -IOOOV，占空比20 40%，時 間2 5min ;再沉積MCrAlY涂層，耙基距為230 250mm，弧電壓20 25V，弧電流50 70A，脈沖偏壓為-150 -300V,占空比20 40% ，沉積溫度300 400°C ，涂層厚度為40 60 ii m。在常規MCrAlY涂層基礎上沉積AlSiY涂層時，按質量百分比計，AlSiY名義成分
(即靶材合金成分)為，Si :7 14%，Y :0 < Y《2%，A1 :余量；沉積工藝參數同沉積常規
MCrAlY涂層，沉積的AlSiY涂層厚度為7 15iim。 將上述得到的MCrAlY+AlSiY復合涂層進行真空熱處理真空擴散退火，真空擴散 退火時，溫度為950 105(TC，保溫時間3 5h，升溫速率5 8°C /min，隨爐冷卻至室溫， 得到外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層。 沉積前，需對試樣進行預處理，將基材試樣打磨至Ra = 0. 4 ii m，采用60 220目 空心玻璃丸濕噴砂處理，隨即先后采用金屬洗滌劑、去離子水、丙酮超聲清洗15min，用酒精 漂洗后烘干。 本發明具有以下優點 1.涂層使用壽命更長。與現有的常規MCrAlY高溫防護涂層相比，由于提高了涂層 表層Al源存儲相13 -NiAl的含量，在高溫氧化過程中可提供Al源支持表層氧化膜的生成 和修復，在熱腐蝕過程中，可犧牲掉表層的富Al層，依靠內層的富Cr層抵抗腐蝕，從而延長 涂層的使用壽命。 2.本發明所涉及MCrAlY涂層中，Al和Cr元素具有沿深度呈外層富Al而內層富 Cr的梯度分布的特點。 3.本發明可應用于Ni基高溫合金的防護。 4.采用本發明可以提高涂層抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能，并能有效地延長涂層使 用壽命。
圖1 (a)-(b)為105(TC退火前(a)和退火后(b)的(MCrAlY+AlSiY)復合涂層的截 面SEM形貌。 圖2為(MCrAlY+AlSiY)復合涂層退火后截面的元素面分布圖。
圖3為IOO(TC退火后的(MCrAlY+AlSiY)復合涂層的截面SEM形貌。。
圖4為沿圖3中白線Al和Cr元素濃度分布圖。
具體實施例方式
下面通過實例對本發明作進一步詳細說明。
實施例1 基材采用Ni基高溫合金K465，其名義成分為(質量百分比)9. 75% Co，8. 75% Cr，5. 5% Al，2. 15% Ti， 1. 85% Mo， 10. 25% W， 1% Nb， Ni余量，試樣尺寸為。15X1. 5mm2。 采用國產MIP-8-800型多弧離子鍍設備共沉積MCrAlY+AlSiY復合涂層。MCrAlY靶材成分
如下(質量百分比計)，Co :32 ;Cr :20 ;A1 :8 ;Y :0. 5 ;Si :1 ;B :0. 03， Ni :余量。沉積前對試樣進行預處理，即將基材試樣打磨至Ra = 0. 4 m，采用200目空心玻璃丸濕噴砂處理， 隨即先后采用金屬洗滌劑、去離子水、丙酮超聲清洗15min，用酒精漂洗后烘干備用。采用 MIP-8-800型電弧離子鍍設備沉積常規MCrAlY涂層，預抽真空至7X 10—3Pa，轟擊和沉積時 通入Ar氣，真空度為2X 10—屮a。對樣品進行預濺射轟擊清洗時，靶基距為240mm，脈沖偏 壓為-800V,占空比33%，清洗時間5min ;沉積時弧電壓為20V，弧電流60 65A，脈沖偏壓 為-250V，占空比33%，沉積溫度為35(TC，沉積時間為300min，獲得的常規MCrAlY涂層厚 度約為32iim。 繼續在常規MCrAlY涂層基礎上沉積AlSiY涂層，AlSiY耙材成分如下(質量百分 比計)Si :10 ;Y:1， Al :余量。沉積AlSiY涂層工藝參數同沉積常規MCrAlY涂層，獲得的 AlSiY涂層厚度約為8 ii m。將MCrAlY+AlSiY復合涂層放入石英玻璃管內抽真空后充入Ar 氣保護，在馬弗爐中105(TC保溫4h，升溫速率為5°C /min，隨爐冷卻至室溫。
擴散退火前后涂層的截面形貌如圖l(a)-(b)所示。由圖l(a)-(b)可知，擴散退 火后，MCrAlY+AlSiY復合涂層表層厚度約25 y m，由P -NiAl及彌散分布的o -NiCoCr和 Cr3Si組成，內層厚度約15 ii m，由富Cr相及少量P -NiAl組成。 如圖2所示，由MCrAlY+AlSiY復合涂層退火后截面的元素面分布圖可以看出退 火后，MCrAlY+AlSiY復合涂層形成了外層富Al、內層富Cr的梯度分布。
實施例2 與實施例1不同之處在于 基材采用定向凝固Ni基高溫合金DZ 125，其名義成分為(質量百分比計)10% Co，9% Cr，7% W，5% Al，2. 5% Ti，3. 5% Ta，C微量，Ni余量。i式樣尺寸為15X10X1. 5mm3。 涂層沉積參數同實施例1。將MCrAlY+AlSiY復合涂層放入石英玻璃管內抽真空后充入Ar 氣保護，在馬弗爐中IOO(TC保溫5h，升溫速率為6°C /min，隨爐冷卻至室溫。
擴散退火前后涂層的截面形貌如圖3所示，由圖3可知，擴散退火后， MCrAlY+AlSiY復合涂層表層厚度約15iim，由P-NiAl和o-NiCoCr組成，Al含量約 20wt^，Cr含量約10wt%，內層厚度約22iim，由富Cr相組成，Al含量約6wt^，Cr含量約 30wt%。 圖4為沿涂層截面的Al、Cr元素分布圖，從中可以看出沿深度方向，A1含量具有 從高到低的梯度分布特征，Cr元素具有從低到高的梯度分布特征。 實施例結果表明，本發明通過電弧離子鍍沉積加真空擴散退火的方法，制備外層 富Al、內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層。與現有的常規MCrAlY高溫防護涂層相 比，本發明所涉及的這種MCrAlY+AlSiY復合涂層有效地提高了涂層表層中Al存儲相含量 和Si的含量，并在涂層內層形成了富Cr層，從而可以提高涂層抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能， 并能有效地延長涂層使用壽命。該復合涂層及其制備方法可應用于Ni基高溫合金的防護。
權利要求
一種MCrAlY+AlSiY復合涂層，其特征在于在常規MCrAlY涂層上沉積AlSiY涂層，形成外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層，該復合涂層表層Al元素濃度為18～22wt％，內層Cr元素濃度為28～45wt％。
2. 按照權利要求1所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于，包括如下 步驟1) 電弧離子鍍制備常規MCrAlY涂層；2) 在常規MCrAlY涂層基礎上沉積AlSiY涂層；3) 真空擴散退火，最終獲得外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層。
3. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于，采用電弧 離子鍍技術沉積常規MCrAlY涂層時，首先將真空室真空預抽至2 X 10—3 1 X 10—2Pa，通入 Ar氣，使真空室壓強升至5X 10—2 3X 10—屮a ;然后對樣品進行預濺射轟擊清洗，耙基距為 230 250mm，脈沖偏壓為-800 -IOOOV，占空比20 40% ，時間2 5min ;再沉積MCrAlY 涂層，耙基距為230 250mm，弧電壓20 25V，弧電流50 70A，脈沖偏壓為-150 -300V, 占空比20 40% ，沉積溫度300 400°C ，涂層厚度為40 60 y m。
4. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于，所述常規 MCrAlY涂層合金體系成分，按質量百分比計，Co :0 40%， Cr :15 40%， Al :6 16%， Y :0. 1 1%， Si :0 2%， B :0. 01 0. 03%， Ni為余量。
5. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于在常 規MCrAlY涂層基礎上沉積AlSiY涂層時，沉積工藝參數同沉積常規MCrAlY涂層，沉積的 AlSiY涂層厚度為7 15iim。
6 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于所述 AlSiY涂層合金體系成分，按質量百分比計，Si :7 14%， Y :0 < Y《2%，A1 :余量。
7. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于，將得到的 MCrAlY+AlSiY復合涂層進行真空熱處理真空擴散退火，真空擴散退火時，溫度為950 105(TC，保溫時間3 5h，隨爐冷卻至室溫，得到外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的 MCrAlY復合涂層。
8. 按照權利要求2所述的MCrAlY+AlSiY復合涂層的制備工藝，其特征在于，沉積前需 對試樣進行預處理，將基材試樣打磨至Ra = 0. 4 m，采用60 220目空心玻璃丸濕噴砂處 理，隨即先后采用金屬洗滌劑、去離子水、丙酮超聲清洗15min，用酒精漂洗后烘干。
全文摘要
本發明涉及高溫防護涂層技術，具體地說是一種MCrAlY+AlSiY復合涂層及制備方法。在常規MCrAlY涂層上沉積AlSiY涂層，再通過真空擴散退火的方法，形成外層富Al而內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層，該復合涂層表層Al元素濃度為18～22wt％，內層Cr元素濃度為28～45wt％。本發明通過電弧離子鍍沉積加真空擴散退火的方法，制備外層富Al、內層富Cr的呈梯度分布的MCrAlY復合涂層。與現有的常規MCrAlY高溫防護涂層相比，本發明所涉及的這種MCrAlY+AlSiY復合涂層有效地提高了涂層表層中Al存儲相含量和Si的含量，并在涂層內層形成了富Cr層，從而可以提高涂層抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能，并能有效地延長涂層使用壽命。該復合涂層及其制備方法可應用于Ni基高溫合金的防護。
文檔編號C09D1/00GK101724301SQ20081022809
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者劉山川, 姜肅猛, 孫超, 宮駿, 彭新, 徐朝政, 王啟民, 鮑澤斌 申請人:中國科學院金屬研究所