一种改性NiCrAlYSi粘结层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及热障涂层技术领域，尤其涉及一种改性nicralysi粘结层及其制备方法和应用。

背景技术：

镍基单晶高温合金叶片广泛应用于燃气涡轮机、航空发动机，热障涂层由于具有优良的隔热、耐高温、抗氧化腐蚀以及抗磨损等性能，在镍基单晶高温合金叶片的表面起到隔热保护的作用。实际应用的涡轮叶片热障涂层典型结构采取双层结构，即陶瓷层与金属粘结层。粘结层是为了缓解陶瓷层和合金基体的热不匹配，同时为了提高基体的抗高温氧化腐蚀性能。新一代航空发动机先进单晶高温合金对超高温长寿命的热障涂层具有迫切的要求，因此，研究新型热障涂层材料以提高热障涂层的寿命尤为重要。

在发动机服役过程中，陶瓷层与金属粘结层中间会形成al2o3氧化层，由于粘结层成分对al2o3氧化层的生长速度、成分、完整性以及与基体的结合力等因素具有决定作用，而这些因素直接影响着热障涂层的寿命，所以粘结层成分的优化和选择对于提高热障涂层的寿命非常关键。

mcraly涂层的寿命及性能很大程度上受到涂层中al含量大小的影响，mcraly涂层主要靠表面形成的al2o3来对抗高温氧化以及高温热腐蚀，长时间服役会导致氧化膜开裂并且脱落。al元素会因为氧化膜的形成、脱落、重新生成以及与基体之间的元素互扩散而大量地消耗。因此，提高mcraly涂层中a1的含量是延长其使用寿命的有效方法。但是直接增加al的含量会引起mcraly涂层本身的脆性变大，机械性能变差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改性nicralysi粘结层及其制备方法和应用，所述改性nicralysi粘结层既可以提高热障涂层中的al含量又可以减弱涂层机械性能变差的现象。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种改性nicralysi粘结层的制备方法，包括以下步骤：

提供预处理的镍基高温合金基体；

以nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，形成nicralysi层；

在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层；所述化学气相渗铝的温度为1020～1060℃。

优选的，所述预处理包括依次进行的打磨、倒圆角、喷砂、清洗和干燥。

优选的，以质量百分比计，所述nicralysi合金包括以下元素：cr15～20％、al10～15％、y0.2～1.0％、si0.6～1.2％和余量的ni。

优选的，所述多弧离子镀的弧电流为160～200a，偏压为10～30v，本底真空度为1×10^-3～9×10^-3pa。

优选的，进行所述多弧离子镀时，所述预处理的镍基高温合金基体的温度为300～500℃。

优选的，所述化学气相渗铝的真空度为(1～9)×10^-3pa，渗铝时间为2～5h。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的改性nicralysi粘结层，所述改性nicralysi粘结层包括nicralysi层和层叠设置于所述nicralysi层表面的nial层。

优选的，所述nial层的厚度为15～20μm，所述nial层中，al含量为40～60at％，余量为ni。

优选的，所述nicralysi层的厚度为20～60μm；所述nicralysi层中，cr的含量为20～25at％、al的含量为25～30at％、y含量为0.2～1.0at％、si含量为0.5～1.0at％，余量为ni。

本发明提供了上述技术方案所述改性nicralysi粘结层在热障涂层中的应用。

本发明提供了一种改性nicralysi粘结层的制备方法，包括以下步骤：提供预处理的镍基高温合金基体；以nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，形成nicralysi层；在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层；所述化学气相渗铝的温度为1020～1060℃。本发明首先利用多弧离子镀在镍基高温合金基体上制备nicralysi层，然后利用化学气相沉积方法在nicralysi层渗铝，在1050℃条件下化学气相渗铝时，由于元素相互扩散，形成最外层为nial层、内层为nicralysi层的双层结构改性nicralysi粘结层，将该改性nicralysi粘结层用于热障涂层后，在氧化过程中由于cr、y和si元素的添加，在1200℃循环氧化时涂层外部会形成平整致密的氧化膜；当氧化膜中铝元素消耗时，内部的铝元素会源源不断向外补充，既可以提高涂层中的al含量又可以减弱涂层机械性能变差的现象。

实施例的结果表明，本发明制备的改性nicralysi粘结层，经1200℃循环氧化100小时后，涂层表面无剥落现象且氧化增重低于0.467mg/cm²，说明本发明制备的改性nicralysi粘结层在1200℃空气中能够达到完全抗氧化，抗氧化性能优异。

本发明的制备方法简单易行，且所制备的改性nicralysi粘结层的抗高温氧化性能远高于普通nicraly系涂层，在1200℃环境中涂层寿命得到显著提高。

附图说明

图1为实施例1制备的改性nicralysi粘结层的截面示意图；

图2为实施例1制备的改性nicralysi粘结层的沉积态截面形貌图；

图3为实施例1制备的改性nicralysi粘结层沉积态截面元素分布图；

图4为实施例1制备的改性nicralysi粘结层100小时循环氧化样品增重曲线图；

图5为实施例1制备的改性nicralysi粘结层在大气环境下1200℃、100h循环氧化后的表面形貌图。

图6为对比例1制备的nicraly粘结层在大气环境下1200℃、10h循环氧化后的表面形貌图。

具体实施方式

本发明提供了一种改性nicralysi粘结层的制备方法，包括以下步骤：

提供预处理的镍基高温合金基体；

以nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，形成nicralysi层；

在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层；所述化学气相渗铝的温度为1020～1060℃。

在本发明中，若无特殊说明，所需制备设备或原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明提供预处理的镍基高温合金基体。本发明对所述镍基高温合金基体的来源和具体组成没有特殊的限定，本领域熟知的市售镍基高温合金基体均可；在本发明的实施例中，所述镍基高温合金基体具体为ic21高温合金，所述ic21高温合金包括以下质量百分含量的组分：8～9％al、12～14％mo、1～3％re、2～3％ta、1～3％cr和余量的ni。

在本发明中，所述预处理优选包括依次进行的打磨、倒圆角、喷砂、清洗和干燥，本发明优选将所述镍基高温合金基体的各个表面依次进行打磨、倒圆角、喷砂、清洗和干燥。在本发明中，所述打磨的过程优选为依次采用200#、600#、800#水磨砂纸将基体的各个表面进行打磨。本发明优选进行所述打磨至基体各个表面的粗糙度ra<0.8；所述喷砂用细砂的目数优选为20目，所述喷砂的压力优选为0.2mpa。本发明对所述倒圆角、清洗和干燥的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。在本发明的实施例中，所述清洗优选为依次采用无水乙醇和丙酮超声清洗15min。

在本发明的实施例中，进行所述预处理前，优选采用线切割的方法将所述镍基高温合金基体切成规格为10×8×3mm³的试样，在试样两端分别切一个直径为1mm的孔，以便于在制备涂层时将试样悬挂在支架上。

得到预处理的镍基高温合金基体后，本发明以nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，形成nicralysi层。

在本发明中，以质量百分比计，所述nicralysi合金优选包括以下元素：cr15～20％、al10～15％、y0.2～1.0％、si0.6～1.2％和余量的ni；所述cr的含量更优选为16～19％，进一步优选为17～18％；所述al的含量更优选为11～14％，进一步优选为12～13％；所述y的含量更优选为0.3～0.8％，进一步优选为0.5～0.6％；所述si的含量更优选为0.8～1.0％，进一步优选为0.85～0.95％。在本发明中，所述nicralysi合金优选包括以下元素：本发明对所述nicralysi合金的来源没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取即可。

本发明对所述多弧离子镀所用设备及具体过程没有特殊的限定，本领域熟知的多弧离子镀用设备和过程即可。在本发明中，所述多弧离子镀的弧电流优选为160～200a，更优选为170～190a，进一步优选为175～185a；偏压优选为10～30v，更优选为15～25v；本底真空度优选为1×10^-3～9×10^-3pa，更优选为3×10^-3～8×10^-3pa，进一步优选为5×10^-3～6×10^-3pa。

在本发明中，进行所述多弧离子镀时，所述预处理的镍基高温合金基体的温度优选为300～500℃，更优选为350～450℃。

在所述多弧离子镀过程中，nicralysi合金上的金属蒸发，形成nicralysi层。

形成nicralysi层后，本发明在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层。本发明对所述化学气相渗铝所用设备及具体过程没有特殊的限定，本领域熟知的化学气相渗铝用设备和过程即可。

在本发明中，所述化学气相渗铝的温度为1020～1060℃，优选为1050℃；所述化学气相渗铝的真空度优选为(1～9)×10^-3pa，更优选为5×10^-3pa，渗铝时间优选为2～5h，更优选为3～4h。在所述化学气相渗铝过程中，nicralysi层中的元素和al元素相互扩散，形成双层结构，最外层形成nial层，内层仍为nicralysi层，从而得到改性nicralysi粘结层。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的改性nicralysi粘结层，所述改性nicralysi粘结层包括nicralysi层和层叠设置于所述nicralysi层表面的nial层。

本发明制备得到的改性nicralysi粘结层包括nicralysi层，所述nicralysi层的厚度优选为20～60μm，更优选为30～50μm。

在本发明所述nicralysi层中，cr的含量优选为20～25at％，更优选为22～24at％；al的含量优选为25～30at％，更优选为26～28at％；y含量优选为0.2～1.0at％，更优选为0.5～0.8at％；si含量优选为0.5～1.0at％，更优选为0.6～0.8at％，余量为ni。

本发明制备得到的改性nicralysi粘结层包括层叠设置于所述nicralysi层表面的nial层，所述nial层的厚度优选为15～20μm，更优选为16～18μm。

在本发明中，所述nial层中，al含量优选为40～60at％，更优选为45～50at％，余量为ni。

本发明提供了上述技术方案所述改性nicralysi粘结层在热障涂层中的应用。本发明对将所述改性nicralysi粘结层应用于热障涂层的方法没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将其作为热障涂层的粘结层即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例所用nicralysi合金，以质量百分比计，包括以下元素：cr19.3％、al12.12％、y0.41％、si0.85％和余量的ni；

以市售ic21镍基单晶高温合金为基体材料，利用线切割的方法将基体合金切成规格为10×8×3mm³的试样，在试样两端分别切一个直径为1mm的孔，以便于在制备涂层时将试样悬挂在支架上；将切好的基体试样依次用200#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，直至基体表面粗糙度ra<0.8，然后将12条棱全部倒成圆角，将所得试样进行喷砂(所用细砂的目数为20目，压力为0.2mpa)，将所得基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15min，烘干，得到预处理的镍基高温合金基体；

以上述nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，多弧离子镀的弧电流为180a，偏压为30v，本底真空度为2×10^-3pa；所述预处理的镍基高温合金基体的温度为400℃，形成nicralysi层；

在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，化学气相渗铝法的真空度为5×10^-3pa，渗铝温度1050℃，渗铝时间2h，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层；所述改性nicralysi粘结层中，nial层中，al含量为46.34at％，余量为ni；所述nial层的厚度为20μm；nicralysi层中，cr的含量为23.38at％，al的含量为28.9at％；y含量为0.39at％；si含量为0.88at％，余量为ni；所述nicralysi层的厚度为25μm。

实施例2

本实施例所用nicralysi合金，以质量百分比计，包括以下元素：cr19.3％、al12.12％、y0.41％、si0.85％和余量的ni；

以市售ic21镍基单晶高温合金(组成同实施例1)为基体材料，利用线切割的方法将基体合金切成规格为10×8×3mm³的试样，在试样两端分别切一个直径为1mm的孔，以便于在制备涂层时将试样悬挂在支架上；将切好的基体试样依次用200#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，直至基体表面粗糙度ra<0.8，然后将12条棱全部倒成圆角，将所得试样进行喷砂(所用细砂的目数为20目，压力为0.2mpa)，将所得基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15min，烘干，得到预处理的镍基高温合金基体；

以上述nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，多弧离子镀的弧电流为170a，偏压为15v，本底真空度为2×10^-3pa；所述预处理的镍基高温合金基体的温度为350℃，形成nicralysi层；

在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，化学气相渗铝法的真空度为5×10^-3pa，渗铝温度1050℃，渗铝时间3h，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层；所述改性nicralysi粘结层中，nial层中，al含量为45.45at％，余量为ni；所述nial层的厚度为20μm；nicralysi层中，cr的含量为22.38at％，al的含量为29.1at％；y含量为0.32at％；si含量为1.0at％，余量为ni；所述nicralysi层的厚度为25μm。

实施例3

本实施例所用nicralysi合金，以质量百分比计，包括以下元素：cr19.3％、al12.12％、y0.41％、si0.85％和余量的ni；

以市售ic21镍基单晶高温合金(组成同实施例1)为基体材料，利用线切割的方法将基体合金切成规格为10×8×3mm³的试样，在试样两端分别切一个直径为1mm的孔，以便于在制备涂层时将试样悬挂在支架上；将切好的基体试样依次用200#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，直至基体表面粗糙度ra<0.8，然后将12条棱全部倒成圆角，将所得试样进行喷砂(所用细砂的目数为20目，压力为0.2mpa)，将所得基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15min，烘干，得到预处理的镍基高温合金基体；

以上述nicralysi合金为靶材，在所述预处理的镍基高温合金基体表面进行多弧离子镀，多弧离子镀的弧电流为175a，偏压为30v，本底真空度为2×10^-3pa；所述预处理的镍基高温合金基体的温度为450℃，形成nicralysi层；

在所述nicralysi层表面进行化学气相渗铝，化学气相渗铝法的真空度为5×10^-3pa，渗铝温度1020℃，渗铝时间4h，形成nial层，得到改性nicralysi粘结层，所述改性nicralysi粘结层中，nial层中，al含量为49.73at％，余量为ni；所述nial层的厚度为20μm；nicralysi层中，cr的含量为20.3at％，al的含量为28.44at％；y含量为0.37at％；si含量为0.8at％，余量为ni；所述nicralysi层的厚度为25μm。

对比例1

将ic21高温合金基体用800目砂纸打磨，采用喷砂机(所用细砂的目数为20目、压力为0.2mpa)进行喷砂，然后采用酒精和丙酮分别清洗30min，吹干，得到预处理基体表面；

以nicraly合金(合金组成为：cr16.5％、al12.5％、y0.7％和余量的ni)为靶材，在所述预处理基体表面进行多弧离子镀，其中，多弧离子镀具体参数为：弧电流180a；偏压30v；基体温度400℃；本底真空度：5×10^-3pa；转动方式为公转；工件转速为1rpm，得到nicraly粘结层。

表征和性能测试

1)本实施例制备的改性nicralysi粘结层的结构示意图如图1所示，所述改性nicralysi粘结层为双层结构，nicralysi层位于nial层和基体之间。

2)对实施例1制备的样品进行sem测试，结果见图2，如图2所示，所制备的改性nicralysi粘结层具有明显的双层结构，最上层为nial层，nicralysi层为中间层。

3)图3为实施例1制备的改性nicralysi粘结层沉积态截面元素分布图。由图3可知，距离基体表面最远的最外层成分主要为nial层，次外层主要为nicralysi层，且al元素含量由外向内呈梯度分布。

4)将实施例1制备的样品置于1200℃大气环境中，采用等温氧化增重法进行氧化实验，设定实验温度1200℃，试验总时间为100h，在氧化实验前10h，每小时取出样品空冷称重，10h之后，每间隔10h取出样品空冷称重后，测得增重曲线如图4所示。由图4可知，实施例1制备的样品的氧化增重低于0.467mg/cm²，达到完全抗氧化级。

5)图5为步骤3)中经过1200℃大气环境中循环氧化100h后所得涂层的实物图，由图5可知，所述粘结层表面生成的氧化膜平直，表面没有出现剥落，达到完全抗氧化级。

6)图6为对比例1制备的nicraly粘结层经过1200℃大气环境中循环氧化10h后所得涂层的实物图，由图6可知，对比例1制备的nicraly粘结层表面有氧化皮掉落，未能实现抗氧化。

7)对实施例2～3制备的改性nicralysi粘结层进行循环氧化实验，实验结果与实施例1相似。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。