专利名称：一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种高温涂层，更特别地说，是指种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法。
背景技术：
镍基高温合金通常在高温下具有较高的机械强度和抗蠕变等性能，这使得它被广泛的应用于航空喷气发动机、各种工业燃汽轮机等热端部件，比如发动机叶片。但是为了提高合金高温强度所添加的元素通常会降低高温合金的抗氧化和抗热腐蚀等性能。解决这一问题的有效措施是在合金表面制备高温防护涂层，许多科研人员做了大量的研究，比如合金表面渗铝，渗铝硅，渗铬硅，渗铝铪等，研究结果表明，这些涂层能比较有效的改善合金抗氧化和抗热腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种采用包埋渗方法在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，通过在高温下产生出Co和Al的活性原子，使Co和Al的活性原子扩散到基体内部，从而生成涂层。涂层表面与基体之间存在有互扩散层。所述制得的CoAlM涂层厚度为 10 μ m 30 μ m，CoAlNi 涂层包含 Altl. Ji1. ！和 AlCo 两相。本发明是一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其包括有下列步骤第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由6g 8g粒度为100目的Al粉、15g 25g粒度为100目的 Co粉、2g 8g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为3 7°C/min，包埋渗温度1000°C 1100°C，包埋渗时间5 12h ；(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量60ml/ min 150ml/min ；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打开炉门取出试样，即制得第三试样；
(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗10 20分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。采用本发明包埋渗工艺制得的CoAlNi涂层的优点在于①利用包埋渗工艺的热化学处理方法，使得包埋渗料在产生出Co和Al的活性原子，使Co和Al的活性原子扩散到基体内部，从而生成涂层。涂层表面与基体之间存在有互扩散层。②利用热阻炉进行化学热处理制得的CoAlNi涂层厚度为10 μ m 30 μ m, CoAlNi 涂层包含Ala9Ni^和AlCo两相。工艺可控、生产成本低。③制得的CoAlNi涂层在高温1050°C氧化时能够形成连续、致密的Al2O3氧化物层， 从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，改善了 Ni基高温合金基体的抗高温氧化性能。④制得的CoAlNi涂层中的AlCo相的熔点为1640°C。⑤制备的CoAlNi涂层在75%的硫酸钠和25%的氯化钠组成的腐蚀剂中进行高温腐蚀测试在温度900°C 950°C的条件下，腐蚀100 200小时后，观察试样，其表面平整、 无剥落，说明CoAlM涂层具有很好的抗热腐蚀性能。
图1是采用本发明方法在基体上制CoAlNi涂层的示意图。图2是实施例1制得的CoAlNi涂层的SEM照片。图3是实施例1制得的CoAlNi涂层的XRD图。图4是实施例1制得的CoAlNi涂层氧化后的SEM照片。图5是实施例1制得的CoAlNi涂层氧化后的XRD图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明CoAlNi涂层包含有Ala9Ni1J和AlCo两相。所制CoAlNi涂层厚度为 10 μ m 30 μ m0本发明是一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，该涂层制备方法有下列步骤第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；第一试样的表面粗糙度为Ral. 6 ；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由6g 8g粒度为100目的Al粉、15g 25g粒度为100目的 Co粉、2g 8g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参予反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效地降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。在本发明中，加入NH4Cl粉能够与Al粉和Co粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出Al、Co的活性原子，渗入到Ni基高温合金表面。
第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为3 Χ /min，包埋渗温度1000°C 1100°C，包埋渗时间5 12h ；(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量60ml/ min 150ml/min ；在氩气保护下制CoAlNi涂层；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打开炉门取出试样，即制得第三试样；(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗10 20分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。将上述方法制备的CoAlNi涂层经SEM和XRD进行成分和相分析。其结构参见图 1所示，基体上是互扩散层，最外面是CoAlNi涂层。实施例1 基体选用Ni-10Co-9Cr-7. 5ff-5. 4A1-4. lTa-2. 5Μο_1· 8Hf-l. 2Ti (牌号 DZ125)。第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；第一试样的表面粗糙度为Ral. 6 ；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由7. 6g粒度为100目的Al粉、20g粒度为100目的Co粉、4g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参予反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效地降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。在本发明中，加入NH4Cl粉能够与Al粉和Co粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出Al、Co的活性原子，渗入到Ni基高温合金表面。第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为5°C /min,包埋渗温度1050°C，包埋渗时间IOh ；(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量IOOml/ min ；在氩气保护下制CoAlNi涂层；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打开炉门取出试样，即制得第三试样；(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗15分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。将实施例1制备的CoAlNi涂层经SEM(如图2)和XRD(如图3)分析表明，CoAlNi涂层包含Ala9Niu和AlCo两相。通过能谱发现，互扩散层的成分为 25Al-10Co-30Ni-2Mo-6Cr-19ff,厚度约为13. 6 μ m。在图2中能够观察到基体经包埋渗处理之后具有互扩散层和CoAlNi涂层的结构。在图3中可以看出CoAlNi涂层包含Ala 9NiL ！ 和AlCo两相。由于CoAlNi涂层将在高温氧化及热腐蚀等条件下工作，这些都有可能导致涂层失效。因此，高温氧化实验的目的是研究金属或合金在各种不同温度、压力和气相组成条件下的反应动力学和氧化机理。其中最简单的方法是把一个已知质量和表面积的试样放在加热炉内氧化一定时间，将其取出并冷却后进行称量，根据试样质量变化可以确定氧化程度。 试样表面氧化膜的形貌、结构和组成可以用各种X-射线和金相技术进行观察和分析。在本发明中，高温氧化试验温度为1050°C，将上述方法制备的第三试样置于高温管式炉中进行高温氧化处理，测量试样质量变化并采用XRD、SEM观察和分析成分。氧化后的涂层表面经过SEM(如图4)和XRD(如图5)分析表明涂层表面形成了连续致密的Al2O3氧化物层，从而有效地阻止了氧向基体的扩散。在图4中能够观察到在 CoAlNi涂层表面形成了一层连续致密的氧化物层。该氧化物层通过XRD分析得知为Al2O3 氧化物，如图5所示。将实施例1制备的CoAlNi涂层在75%的硫酸钠和25%的氯化钠组成的腐蚀剂中进行高温腐蚀测试在温度900°C的条件下，腐蚀200小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗方法制备的CoAlM涂层具有很好的抗热腐蚀性能。实施例2 基体选用Ni-10Co-9Cr-12W-5Al-l. 5Hf-2Ti (牌号 DZ22)。第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；第一试样的表面粗糙度为Ral. 6 ；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由6g粒度为100目的Al粉、15g粒度为100目的Co粉、8g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参予反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效地降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。在本发明中，加入NH4Cl粉能够与Al粉和Co粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出Al、Co的活性原子，渗入到Ni基高温合金表面。第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为 Χ /min,包埋渗温度1000°C，包埋渗时间12h(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量80ml/ min ；在氩气保护下制CoAlNi涂层；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打
6开炉门取出试样，即制得第三试样；(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗10分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。将实施例2制备的CoAlNi涂层经SEM和XRD分析表明，CoAlNi涂层包含Ala9Ni1. i 和AlCo两相。通过能谱发现，互扩散层的成分为24Al-llCo-33Ni-7Cr-25W，厚度约为 15. 3 μ m。将实施例2制备的CoAlNi涂层在75%的硫酸钠和25%的氯化钠组成的腐蚀剂中进行高温腐蚀测试在温度950°C的条件下，腐蚀100小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗方法制备的CoAlM涂层具有很好的抗热腐蚀性能。实施例3 基体选用Ni-5Co-llCr-5W-5. 5A1-4. 1Μο_2· 5Ti (牌号 K403)。第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；第一试样的表面粗糙度为Ral. 6 ；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由8g粒度为100目的Al粉、25g粒度为100目的Co粉、5g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参予反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效地降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。在本发明中，加入NH4Cl粉能够与Al粉和Co粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出Al、Co的活性原子，渗入到Ni基高温合金表面。第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为4°C /min,包埋渗温度1100°C，包埋渗时间8h ；(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量60ml/ min ；在氩气保护下制CoAlNi涂层；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打开炉门取出试样，即制得第三试样；(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗15分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。将实施例3制备的CoAlNi涂层经SEM和XRD分析表明，CoAlNi涂层包含Ala9Ni1.i 和AlCo两相。通过能谱发现，互扩散层的成分为^Al-10Co-37. 5Ν -3. 5Mo-7Cr_16W，厚度约为 26. 4 μ mo将实施例3制备的CoAlNi涂层在75%的硫酸钠和25%的氯化钠组成的腐蚀剂中进行高温腐蚀测试在温度900°C的条件下，腐蚀200小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗方法制备的CoAlM涂层具有很好的抗热腐蚀性能。
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实施例4 基体选用Ni-15Co-9Cr-5. 3Al-3Mo_l. 8Hf-4. 8Ti (牌号 K417)。第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；第一试样的表面粗糙度为Ral. 6 ；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由7g粒度为100目的Al粉、18g粒度为100目的Co粉、3g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；在本发明中，加入的Al2O3粉在包埋渗过程中不参予反应，只作为填料。该填料在不影响涂层形成的基础上，可以有效地降低生产成本，同时也减少了反应物的浪费。在本发明中，加入NH4Cl粉能够与Al粉和Co粉反应，形成相应的气体化合物，只有该化合物才能产生出Al、Co的活性原子，渗入到Ni基高温合金表面。第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为6°C /min，包埋渗温度1050°C，包埋渗时间IOh ；(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量120ml/ min ；在氩气保护下制CoAlNi涂层；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打开炉门取出试样，即制得第三试样；(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗20分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。将实施例4制备的CoAlNi涂层经SEM和XRD分析表明，CoAlNi涂层包含Ala9Ni1. i 和AlCo两相。通过能谱发现，互扩散层的成分为25Al-12Co-33Ni-2. 5Mo_6. 5Cr_21W，厚度约为 18. 3 μ mo将实施例4制备的CoAlNi涂层在75%的硫酸钠和25%的氯化钠组成的腐蚀剂中进行高温腐蚀测试在温度900°C的条件下，腐蚀150小时后，观察试样，其表面平整、无剥落，说明经本发明包埋渗方法制备的CoAlM涂层具有很好的抗热腐蚀性能。将采用本发明方法制得的CoAlNi涂层在高温1050°C氧化时能够形成连续、致密的Al2O3氧化物层，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，改善了 Ni基高温合金基体的抗高温氧化性能。由于制得的CoAlNi涂层中的AlCo相具有很高的熔点(1640°C)，所以该涂层在高温下(900°C 950°C )也具有很好的抗热腐蚀性能。
权利要求
1.一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其特征在于包括有下列步骤第一步基体的前处理(A)用800#的SiC水磨砂纸将Ni基高温合金进行表面磨光处理，制得第一试样；(B)将第一试样放入无水乙醇中进行超声清洗10 15min后，获得第二试样；第二步制包埋渗料制IOOg包埋渗料由6g 8g粒度为100目的Al粉、15g 25g粒度为100目的Co粉、 2g 8g粒度为100目的NH4Cl粉和余量粒度为100目的Al2O3粉组成；第三步采用包埋渗工艺制备CoAlNi涂层(A)将第二步制得的包埋渗料放入坩埚底部，然后将第一步中处理后的第二试样放入坩埚中间部位，并在其四周填满余量的包埋渗料，盖上坩埚盖子并密封后，形成热处理样品，并将热处理样品置入电阻炉内；(B)设置电阻炉的升温速率为3 Χ/min，包埋渗温度1000°C 1100°C，包埋渗时间 5 12h ；(C)开启电阻炉，通入氩气；所述氩气的质量百分比纯度为99.0%，流量60ml/min 150ml/min ；(D)在包埋渗时间结束时，关电阻炉，随电阻炉冷却至100°C时，停止通入氩气；打开炉门取出试样，即制得第三试样；(E)将第三试样放入酒精中经超声波清洗10 20分钟后，冷风吹干，得到在Ni基高温合金表面渗有的CoAlNi涂层。
2.根据权利要求1所述的采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其特征在于制得的CoAlNi涂层包含有Ala9Niu和AlCo两相。
3.根据权利要求1所述的采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其特征在于制得的CoAlNi涂层厚度为10 μ m 30 μ m。
4.根据权利要求1所述的采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其特征在于制得的CoAlNi涂层在高温1050°C氧化时能够形成连续、致密的Al2O3氧化物层。
5.根据权利要求1所述的采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其特征在于制得的CoAlM涂层在75%的硫酸钠和25%的氯化钠组成的腐蚀剂中进行高温腐蚀测试在温度900°C 950°C的条件下，腐蚀100 200小时后，观察试样，其表面平整、无剥落。
6.根据权利要求1所述的采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，其特征在于制得的是CoAlNi涂层。
全文摘要
本发明公开了一种采用包埋渗工艺在Ni基高温合金上制备CoAlNi涂层的方法，所述CoAlNi涂层厚度为10μm～30μm，CoAlNi涂层包含Al0.9Ni1.1和AlCo两相。制得的CoAlNi涂层在1050℃高温氧化时能够形成连续、致密的Al2O3氧化物层，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，改善了基体的抗高温氧化性能。制得的CoAlNi涂层在高温900℃～950℃下具有良好的抗热腐蚀性能。
文档编号C23C10/52GK102424948SQ20111032537
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者乔敏, 周春根 申请人:北京航空航天大学