一种优化镍基单晶高温合金n5性能的梯度涂层方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，属于合金性能优化技术领域。
【背景技术】
[0002]电弧离子镀由于其高离化率、高能量密度、高生产效率、低能耗、低成本等特点，在制备高结合强度、高致密组织的优质MCrAlY涂层和实现工业化生产等方面已显示出了其优势。电弧离子镀MCrAlY涂层已应用于航空发动机中涡轮叶片的防护，而其发展前景也被普遍看好。
[0003]高温防护涂层的性能及使用寿命，与涂层的厚度和涂层中储Al相的多少有着直接关系，涂层愈厚，储Al相愈多，涂层的使用寿命就会相应增加。然而，涂层中的Al含量提高到一定程度后，涂层的脆性增加、熔点较低，严重影响涂层的使用性能，而且要制备出高Al含量的电弧离子镀靶材也是比较困难的。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的问题:提供一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，旨在提高合金涂层性能，以满足工业要求。
[0005]本发明的技术方案:
一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，用镍基单晶高温合金N5做基体，用SiC砂纸逐级打磨至800号，对其进行200目玻璃丸湿喷，然后经金属洗涤剂、去离子水超声清洗，烘干；利用国产MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积NiCoCrAlYSiB涂层和AlSiY涂层；将沉积后的两种试样在真空环境中进行扩散处理，升温速度控制在5°C /min，加热到900°C后保温4h，即得到退火态的普通涂层和梯度涂层。
[0006]所述的iCoCrAlYSiB涂层厚度为40 μ m。
[0007]所述的AlSiY涂层厚度为10 μ m。
[0008]本发明的有益效果:
I)采用电弧离子镀制备的普通NiCoCrAlYSiB涂层和NiCoCrAlYSiB+AlSiY梯度涂层在退火前后组织均匀致密，与基体结合良好。退火处理后，普通涂层是由Y Vy相和弥散其中的点状β-NiAl相构成；梯度涂层分为两层，外层以β-(Ni，Co)Al相为主，还有少量的Cr3Si相和σ-NiCoCr，内层和普通涂层的结构相似。退火后的梯度涂层形成了外层富Al、内层富Cr的梯度分布。
[0009]2)普通涂层在1000°C下有较好的保护性能，再高温度时就会快速退化，表面逐渐生成了保护性较差的尖晶石相和混合氧化物，甚至出现严重的内氧化现象；梯度涂层在三个温度下均表现出良好的保护性能，1100°c度下氧化300h后仍有大量的β -NiAl相存在，1150°C下氧化300h后涂层Al含量仍在9 wt.%左右，少量的β-NiAl相和过饱和的Y Vy相维持表面氧化铝膜的形成和修复。
[0010]3)梯度涂层采用Al元素外高内低呈梯度分布的结构，不仅提高了涂层中Al含量，而且减缓了涂层中Al元素向基体中的的扩散；同时增加了涂层中Si和Y元素的含量，提高氧化膜的粘附性，大大减少了氧化膜的开裂和剥落，对延长涂层寿命有较大的帮助。
[0011]4)随着涂层中Al元素的消耗，涂层组织发生β -NiAl — β -Ν?3Α1 — β -Ni的转变。当涂层中Al元素含量不高时，这种转变更快，相转变的同时伴随着体积收缩，在涂层内部以及涂层与基体的界面处就容易产生孔洞。孔洞会使涂层与基体的结合力下降；涂层与基体的互扩散区形成的空洞会降低体系的疲劳强度。普通涂层产生孔洞要早于梯度涂层，并且空洞数量也明显多于梯度涂层。
[0012]【附图说明】:
图1是沉积态的普通NiCoCrAlYSiB涂层和NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂层的X射线衍射结果;
图2是退火态的普通涂层和梯度涂层的X射线衍射结果；
图 3 是普通 NiCoCrAlYSiB 涂层(a), (c)和 NiCoCrAlYSiB+AlSiY 涂层(b)，(d)沉积态的表面SEM形貌(a)，(b)和截面BSE形貌(c)，(d)；
图4是普通涂层(a)，(c)和梯度涂层(b)，(d)退火态的表面SEM形貌(a)，(b)和截面BSE 形貌(c)，(d)；
图5是退火处理后的梯度涂层截面元素EPMA分布图；
图6是梯度涂层退火后的截面元素面分布图。
[0013]【具体实施方式】:
实施例:
用镍基单晶高温合金N5做基体，将其加工成Φ 15_X 1.5mm的试样，用SiC砂纸逐级打磨至800号(将所有棱角边倒成圆角)，进行200目玻璃丸湿喷，然后经金属洗涤剂、去离子水超声清洗，烘干。利用国产MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积NiCoCrAlYSiB涂层和AlSiY涂层。在基体上沉积NiCoCrAlYSiB涂层，厚度在40 μ m左右，作为普通涂层；然后再普通涂层上再沉积厚度大约为10 μ m的AlSiY涂层即得到NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂层。将沉积后的两种试样在真空环境中进行扩散处理，升温速度控制在5°C /min，加热到900°C后保温4h，即得到退火态的普通涂层和梯度涂层。具体工艺参数和工艺路线见第二章。
[0014]采用日本理学D/max-RA转靶试X光衍射仪(XRD，CuKa)、带有X射线能谱分析(EDS)的扫描电镜(SEM)对涂层的相结构及表面、截面形貌进行表征，并用电子探针测定(EPMA)测定涂层中的元素成分及分布。
[0015]图1为普通NiCoCrAlYSiB涂层和NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂层沉积态的X射线衍射结果。可以看出沉积态的普通涂层主要由、1、相和少量的β-NiAl相构成，沉积态的涂层衍射峰有类似非晶特征的“馒头峰”出现，而且峰有明显宽化。出现“馒头峰”可能跟电弧离子镀技术较低的沉积温度(200?400°C)有关，从靶材飞来的金属熔滴在基材表面快速冷却，液滴来不及晶化，故涂层以非晶或微晶的形态存在；衍射峰宽化这说明涂层内部残余应力较大。通常情况下XRD的衍射图谱只能反映1ym厚度内的相组成，所以NiCoCrAlYSiB+AlSiY涂层的衍射结果仅为AlSiY层(厚度在10 μ m左右)的沉积态相组成，主要有Al和Si的峰组成，Al熔点低且含量较高，故AlSiY层的晶粒能够长大。图2是两种涂层900°C退火处理4h后的XRD衍射结果。与退火前相比普通涂层的衍射峰明显变窄，涂层中β-NiAl峰的强度有所增加。这是因为在退火过程中，涂层由非稳态向稳态相转变，原来溶解在、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涂层退火后表面的衍射峰几乎全部由β相的衍射峰构成，此时的涂层被称为“梯度涂层”
图3(a)和(b)分别为两种涂层沉积态的表面SHM形貌，从图中可以看出，用电弧离子镀技术沉积出的涂层表面起伏不大，仔细观察可以发现涂层是由小颗粒紧密的团聚而成。两种涂层沉积态的截面BSE形貌如图3 (c)和(d)所示，普通涂层厚度在40 μ m左右，梯度涂层退火前是由40 μ m左右厚的普通涂层和10 μ m左右厚的AlSiY涂层组成。两种涂层与基体结合良好，涂层中有少许的微孔，总体来说涂层较为致密。
[0016]图4是两种涂层退火处理后的表面SEM形貌(a) (b)及截面BSE形貌(c) (d)。普通涂层退火后的表面形貌跟沉积态差别不大，如图4(a)所示。图4(b)是退火态的梯度涂层经表面喷砂处理后的形貌，可以看出梯度涂层表面有很多的小孔洞和长条状的压痕。小孔洞是梯度涂层退火处理过程中，Al元素向内扩散，在原来的AlSiY层产生的Kirkendall孔洞，涂层表面变的疏松多空[9]。疏松层将影响后续的高温氧化实验结果，故对退火后的梯度涂层进行喷砂处理以除掉表面不利的疏松层。长条状的压痕即是喷砂处理留下来的痕迹。图4(c)是普通涂层退火态的截面形貌，和沉积态相比退火后的涂层更为致密，涂层和基体的界面变的模糊，两者发生一定的互扩散，适量的互扩散有助于结合力的提高，这一点很有实用价值。此外，退火后的普通涂层中有颜色较深的相析出，经H)S的结果显示N1:Al接近1:1，为β-NiAl相，XRD的结果也印证了这一点；颜色较浅的为γ/γ相。总体来说普通涂层是由、1、相为主和分布其中的点状β-NiAl相组成,涂层厚度在40 μ m左右。图4(d)是梯度涂层退火后的截面形貌，从中可以看出梯度涂层致密并与基体有一定的互扩散，在涂层外侧确实看到Kirkendall孔洞的残留。梯度涂层主要分为两层，外层主要为β -NiAl相，内层和普通涂层的结构相似，只是点状的β -NiAl相分布的较普通涂层密集，外层厚度在30 μ m左右，内层厚度在20 μ m左右。梯度涂层外层和内层中的Al存在一定的梯度，外层的β-NiAl层自身的衬度也有一定的差别，外侧颜色更深一些，说明β-NiAl层也存在Al的梯度分布。
[0017]图5是梯度涂层退火后的截面元素分布图(分析线的位置在图4(d)中给出，EPMA每隔4μπι打一个点)。梯度涂层主要含有N1、Co、Cr、Al四种元素，Co元素的含量在涂层中随着深度的变化不大；Ni元素变化也不是很大，外层含量稍高;A1元素呈现出外高内低的趋势分布；Cr元素则刚好相反，呈现出外低内高的变化趋势。退火过程中Al向内扩散为主，形成Al元素外高内低的分布，可能Cr在不同相中固溶度不同，也出现了一种梯度分布。
[0018]图6为梯度涂层退火后的截面元素面分布图，从中可以看出，Al主要富集在复合涂层的外层，Cr主要富集在复合涂层的内层。结合XRD和EPMA线扫结果可知，退火后复合涂层由外层、内层两层组成。外层主要是β-(Ni，Co)Al相，还有一些弥散分布的O-NiCoCr和Cr3Si相存在。内层主要是一些富Cr相和y/Y '相，还有少量点状β-(Ni，Co)Al相。
【主权项】
1.一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，其特征在于:用镍基单晶高温合金N5做基体，用SiC砂纸逐级打磨至800号，对其进行200目玻璃丸湿喷，然后经金属洗涤剂、去离子水超声清洗，烘干；利用国产MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积NiCoCrAlYSiB涂层和AlSiY涂层；将沉积后的两种试样在真空环境中进行扩散处理，升温速度控制在5°C /min，加热到900°C后保温4h，即得到退火态的普通涂层和梯度涂层。2.根据权利要求1所述的一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，其特征在于:所述的iCoCrAlYSiB涂层厚度为40 μ m。3.根据权利要求1所述的一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，其特征在于:所述的AlSiY涂层厚度为10 μ m。
【专利摘要】本发明公开了一种优化镍基单晶高温合金N5性能的梯度涂层方法，用镍基单晶高温合金N5做基体，用SiC砂纸逐级打磨至800号，对其进行200目玻璃丸湿喷，然后经金属洗涤剂、去离子水超声清洗，烘干；利用国产MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积NiCoCrAlYSiB涂层和AlSiY涂层；将沉积后的两种试样在真空环境中进行扩散处理，升温速度控制在5℃/min，加热到900℃后保温4h，即得到退火态的普通涂层和梯度涂层；本发明旨在提高合金涂层性能，以满足工业要求。
【IPC分类】C23C14/58, C23C14/32, C23C14/16
【公开号】CN105525259
【申请号】CN201410512505
【发明人】王晓芳
【申请人】王晓芳
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2014年9月29日