NiSiAlY涂层、其制备方法与应用与流程

本发明涉及一种防护涂层，具体涉及一种nisialy涂层、其制备方法及应用，属于材料表面处理技术领域。

技术背景

在航天航海大环境下，舰船和飞机的服役环境也越来越苛刻，发动机涡轮叶片等经常承受高温等苛刻条件的部位难免受到严重的侵蚀和氧化，为确保部件拥有足够的服役寿命，在部件表面沉积热防护涂层是一种有效的手段

常用热防护涂层的粘结层的主要成分是nicraly，这种涂层拥有优异的抗高温氧化性能和机械性能，然而在高盐高湿热的环境下，cr会与nacl与水蒸气反应，加速涂层的腐蚀，从而破坏涂层结构，失去原有的防护性。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种nisialy涂层、其制备方法以及应用，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明实施例提供了一种nisialy涂层，其主要成分为nisialy合金，并且所述涂层包括15wt.％～25wt.％ni3al和0.75wt.％～1wt.％ni5y，其余部分包括nial、si单质相和al单质相。

本发明实施例还提供了一种nisialy涂层的制备方法，其包括：至少是利用多弧离子镀技术，采用nisialy合金靶作为靶材，在工件上沉积nisialy材料，形成nisialy涂层；所述nisialy靶材包括按质量百分数计算的如下组分：75wt.％-82wt.％ni、2.5wt.％～10.5wt.％si、12％wt.％al和0.5wt％～1.5wt％y。

进一步的，所述的制备方法还可包括：对工件表面进行清洗和活化处理，之后在工件上沉积nisialy涂层。

进一步的，所述的制备方法还可包括：在工件上沉积形成nisialy涂层之后，将工件所处的真空腔体温度降至200℃以下。

进一步的，所述工件包括gh4169高温合金基体或304不锈钢基体。

本发明实施例还提供了所述nisialy涂层作为防护涂层的用途。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：本发明提供的nisialy涂层具有优异的抗高温氧化、耐热盐性能，适合应用于海洋环境和高温苛刻环境下的工件防护，与nicraly等体系相比，应用范围更广，同时制备方法更简易可行，应用前景广泛。

附图说明

图1示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层的表面形貌；

图2示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层的截面结构；

图3示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层的xrd表征图；

图4a-图4b分别示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层经过500℃氧化后的表面形貌和截面形貌；

图5示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层经过600℃氧化后的表面形貌；

图6示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层经过700℃氧化后的表面形貌；

图7示出了本发明实施例1中一种nisialy涂层经过600℃氧化后的xrd表征图；

图8示出了对实施例1、3～6所获nisialy涂层与无涂层gh4169合金基体进行极端工况测试的氧化动力学曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明实施例的一个方面提供的一种nisialy涂层可以覆盖在工件上作为防护涂层。

在一些实施方案中，所述nisialy涂层包括ni3al，nial、ni5y、单质al相和单质si相。

进一步的，所述nisialy涂层包括15wt.％～25wt.％ni3al和0.75wt.％～1wt.％ni5y，其余部分包括nial、si单质相和al单质相。

在一些实施方案中，所述nisialy涂层的厚度约为0.8～1.2μm。

本发明实施例的另一个方面提供的一种制备nisialy涂层的方法包括：利用多弧离子镀技术，采用nisialy合金靶作为靶材，在工件上沉积nisialy涂层。

在一些实施方案中，所述制备方法具体包括：将工件置于镀膜设备真空腔体中，采用物理气相沉积技术(例如多弧离子镀技术)在工件上沉积形成nisiay涂层。

在一些实施方案中，所述nisialy靶材包括按质量百分数计算的如下组分：75wt.％-82wt.％ni、2.5wt.％～10.5wt.％si、12％wt.％al和0.5wt％～1.5wt％y。

较为优选的，所述nisialy靶材包括按质量百分数计算的如下组分：80wt.％～82wt.％ni、2wt.％～2.5wt.％si、12wt.％～14wt％.al和1～1.5wt.％y。

在一些实施方案中，所述靶材包括相对设置的两个以上nisialy靶。

在一些实施方案中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：设置nisialy靶的靶电流为60a～70a，负偏压为50～100v，温度为180℃～210℃，工作气体为氩气。

较为优选的，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：靶电流为60a～70a，负偏压为50a～100v，温度为190℃～210℃。

较为优选的，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：氩气流量为300sccm～400sccm，沉积时间为100min～120min。

在一些实施方案中，所述nisialy层的厚度为0.8μm～1.2μm。

在一些实施方案中，所述工件的材质包括gh4169高温合金或304不锈钢，且不限于此。

本发明实施例的另一个方面提供的一种装置包括基体，所述基体表面覆设有所述nisialy涂层。

进一步的，所述基体包括gh4169高温合金基体或304不锈钢基体，且不限于此。

本发明前述实施例提供的nisialy涂层具有优异的抗氧化性能，耐湿热性能和耐热盐腐蚀性能，在应用为防护涂层时，对被防护工件能起到显著的保护作用，适于海洋环境或高温环境下的防护使用，且制备工艺简便，可控性高。

以下将结合若干实施例对本发明的技术方案作更为详细的说明。

实施例1：一种nisialy涂层，其厚度约为1.1μm，并且包括按照质量百分比计算的如下组分：83.1wt.％ni、2.4wt.％si、13.4wt.％al、1.1wt.％y。该nisialy涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对工价表面进行清洗、除油、表面活化。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对gh4169高温合金工件进行超声清洗、除油处理。将洗净后的样品放入镀膜设备中，施加真空环境，并保持温度在180℃～210℃左右。工件表面需要进行氩气活化，气体流量为500sccm，离子刻蚀的负偏压为900v、1100v和1200v，每次刻蚀时间为2min。

(2)预处理完的工件采用多弧离子镀的方法制备涂层。沉积nisialy的靶材是nisialy合金靶，靶材成分包括按质量百分比计算的84wt.％ni、2.5％wt.％si、12wt.％al、1.5wt.％y。需要相对安置一组以上的nisialy靶材。靶电流为70a，负偏压为100v，沉积温度200摄氏度，工作气体为氩气，流量为400sccm。

(3)沉积结束后，真空冷却至100℃左右，再自然冷却至室温，即可获得nisialy涂层。

该nisialy涂层的表面形貌如图1所示，截面形貌如图2所示，其组成可以参阅图3，其中包括ni3al(74.1wt.％)，nial(13.6wt％)、ni5y(2.1wt.％)、单质ni相(剩余)和单质si相(2.4wt.％)等。

在三种不同温度下(500℃、600℃、700℃)对该nisialy涂层进行高温耐盐氧化测试，连续氧化十二小时，三种温度下氧化后nisialy涂层样品的表面形貌分别如图4a、图5、图6所示。由这些图看出，在500℃、600℃、700℃时涂层完好，表面可见高温导致的氧化膜层，且温度越高，氧化也就越严重。

另外，图7是一种氧化后nisialy涂层样品的xrd图样，可以看出，氧化后将会产生nio和al2o3等产物，其中al2o3是主要的抗氧化物质。

实施例2：一种nisialy涂层，其厚度约为0.8μm，并且包括按照质量百分比计算的如下组分：79.5wt.％ni、4.5％wt.％si、12.8wt.％al、1.2wt.％y。该nisialy涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对工价表面进行清洗、除油、表面活化。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对304不锈钢工件进行超声清洗、除油处理。将洗净后的样品放入镀膜设备中，施加真空环境，并保持温度在180℃～210℃左右。工件表面需要进行氩气活化，气体流量为500sccm，离子刻蚀的负偏压为900v、1100v和1200v，每次刻蚀时间为2min。

(2)预处理完的工件采用多弧离子镀的方法制备涂层。沉积nisialy的靶材是nisialy合金靶，靶材成分包括按质量百分比计算的80wt.％ni、4.5％wt.％si、12wt.％al、1.5wt.％y。需要相对安置一组以上的nisialy靶材。靶电流为60a，负偏压为100v，沉积温度为200摄氏度，工作气体为氩气，流量为400sccm。

(3)沉积结束后，真空冷却至100℃左右，自然冷却至室温，即可获得nisialy涂层，其组分为ni3al(70.5wt.％)，nial(18.6wt％)、ni5y(2.1wt.％)、和单质si相(4.5wt.％)等。

实施例3：一种nisialy涂层，其厚度约为0.9μm，并且包括按照质量百分比计算的如下组分：81.5wt.％ni、4.1％wt.％si、12.6wt.％al、1.8wt.％的y。该nisialy涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对工价表面进行清洗、除油、表面活化。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对gh4169高温合金工件进行超声清洗、除油处理。将洗净后的样品放入镀膜设备中，施加真空环境，并保持温度在180℃～210℃左右。工件表面需要进行氩气活化，气体流量为500sccm，离子刻蚀的负偏压为900v、1100v和1200v，每次刻蚀时间为2min。

(2)预处理完的工件采用多弧离子镀的方法制备涂层。沉积nisialy的靶材是nisialy合金靶，靶材成分包括按质量百分比计算的82wt.％ni、4.5％wt.％si、12wt.％al、1.5wt.％的y。需要相对安置一组以上的nisialy靶材。靶电流为70a，负偏压为100v，沉积温度为200摄氏度，工作气体为氩气，流量为400sccm。

(3)沉积结束后，真空冷却至100℃左右，再自然冷却至室温，即可获得nisialy涂层,其组分为ni3al(70.5wt.％)，nial(18.1wt％)、ni5y(3.2wt.％)、和单质si相(4.1wt.％)等。

实施例4：一种nisialy涂层，其厚度约为1.2μm，并且包括按照质量百分比计算的如下组分：79.8wt.％ni、6.9％wt.％si、11.8wt.％al、1.5wt.％y。该nisialy涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对工价表面进行清洗、除油、表面活化。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对gh4169高温合金工件进行超声清洗、除油处理。将洗净后的样品放入镀膜设备中，施加真空环境，并保持温度在180℃～210℃左右。工件表面需要进行氩气活化，气体流量为500sccm，离子刻蚀的负偏压为900v，1100v和1200v，每次刻蚀时间为2min。

(2)预处理完的工件采用多弧离子镀的方法制备涂层。沉积nisialy的靶材是nisialy合金靶，靶材成分包括按质量百分比计算的80wt.％ni、6.5％wt.％si、12wt.％al、1.5wt.％y。需要相对安置一组以上的nisialy靶材。靶电流为70a，负偏压为100v，沉积温度为200摄氏度，工作气体为氩气，流量为400sccm。

(3)沉积结束后，真空冷却至100℃左右，自然冷却至室温，即可获得nisialy涂层，其组分为ni3al(65.5wt.％)，nial(16.9wt％)、ni5y(2.8wt.％)、和单质si相(6.9wt.％)等。

实施例5：一种nisialy涂层，其厚度约为1.1μm，并且包括按照质量百分比计算的如下组分：77.1wt.％ni、8.1％wt.％si、13.6wt.％al、1.2wt.％y。该nisialy涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对工价表面进行清洗、除油、表面活化。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对gh4169高温合金工件进行超声清洗、除油处理。将洗净后的样品放入镀膜设备中，施加真空环境，并保持温度在180℃～210℃左右。工件表面需要进行氩气活化，气体流量为500sccm，离子刻蚀的负偏压为900v、1100v和1200v，每次刻蚀时间为2min。

(2)预处理完的工件采用多弧离子镀的方法制备涂层。沉积nisialy的靶材是nisialy合金靶，靶材成分包括按质量百分比计算的78wt.％ni、8.5％wt.％si、12wt.％al、1.5wt.％y。需要相对安置一组以上的nisialy靶材。靶电流为70a，负偏压为100v，沉积温度为200摄氏度，工作气体为氩气，流量为400sccm。

(3)沉积结束后，真空冷却至100℃左右，自然冷却至室温，即可获得nisialy涂层,其组分为ni3al(63.1wt.％)，nial(19.1wt％)、ni5y(2.2wt.％)、和单质si相(8.1wt.％)等。

实施例6：一种nisialy涂层，其厚度约为1.2μm，并且包括按照质量百分比计算的如下组分：75.3wt.％ni、10％wt.％si、12.6wt.％al、2.1wt.％y。该nisialy涂层可以按照以下的步骤制备：

(1)对工价表面进行清洗、除油、表面活化。首先利用乙醇、丙酮等溶剂对gh4169高温合金工件进行超声清洗、除油处理。将洗净后的样品放入镀膜设备中，施加真空环境，并保持温度在180℃～210℃左右。工件表面需要进行氩气活化，气体流量为500sccm，离子刻蚀的负偏压为900v、1100v和1200v，每次刻蚀时间为2min。

(2)预处理完的工件采用多弧离子镀的方法制备涂层。沉积nisialy的靶材是nisialy合金靶，靶材成分包括按质量百分比计算的76wt.％ni、10.5％wt.％si、12wt.％al、1.5wt.％y。需要相对安置一组以上的nisialy靶材。靶电流为70a，负偏压为100v，沉积温度为200摄氏度，工作气体为氩气，流量为400sccm。

(3)沉积结束后，真空冷却至100℃左右，自然冷却至室温，即可获得nisialy涂层,其组分为ni3al(61.7wt.％)，nial(18.3wt％)、ni5y(3.6wt.％)、和单质si相(10wt.％)等。

依照实施例1的方式对实施例2～6所获nisialy涂层的性能进行测试，亦可看到，这些nisialy涂层的抗氧化性能也非常优秀，其抗氧化性能高于基体。但其中实施例1所获nisialy涂层的性能最佳。

另外，对实施例1、3～6所获nisialy涂层与无涂层gh4169合金基体进行极端工况测试，获得氧化动力学曲线如图8所示。

应当理解，上述实施例和实验方法是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。