一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法

摘要

一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，所述方法步骤如下：（1）将高温合金基体清洗、除锈、喷砂粗化处理后固定于工作台上；（2）采用热喷涂技术在基体表面制备一定厚度的MCrAlY涂层；（3）选择待渗入合金元素对应的电极材料，利用脉冲等离子体技术对制备完成的热喷涂MCrAlY涂层进行处理，获得具有微纳米结构的含渗入合金元素的MCrAlY涂层。本发明方法除可实现现有技术对热喷涂MCrAlY涂层重熔，达到消除涂层组织缺陷和细化组织的效果外，还可向涂层内部渗入有益合金元素，通过组织细化和合金元素的协同作用提高涂层的抗氧化性能。

权利要求

1.一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：(1)将高温合金基体切割成合适的尺寸，经清洗、除锈、喷砂粗化处理后固定于工作台上；

(2)采用热喷涂技术在基体表面制备一定厚度的MCrAlY涂层；

(3)选择包括Ta、Re、Pt中的一种或两种以上渗入合金元素对应的电极材料，利用脉冲等离子体技术对制备完成的热喷涂MCrAlY涂层进行处理，获得具有微纳米结构的含渗入合金元素的MCrAlY涂层；

所述脉冲等离子体技术处理工艺参数为：电压3～10KV，等离子体能量密度105-108W/cm2 ，处理次数10～20次，处理距离30～100mm，真空度为一个大气压，保护气体为氩气或氮气。

说明书

一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用组织细化和活性元素的协同作用提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，属材料表面工程领域。

背景技术

[0002] 高温防护涂层对于航空发动机和地面燃气轮机热端部件的防护具有重要作用。MCrAlY（M=Ni，Co或Ni+Co）高温合金涂层既可以单独使用，也可以作为热障涂层的粘结层，是目前研究和应用最为广泛的高温防护涂层之一。

[0003] 热喷涂具有生产效率高、成本低、操作简便等优点，是目前制备MCrAlY涂层的主要技术手段之一。由于热喷涂技术本身的特点，其涂层内部不可避免存在孔洞、裂纹、层片状结构和未熔颗粒等缺陷，这会导致非保护性氧化物的过早形成和局部优先生长，大幅降低涂层的抗氧化性能。目前主要通过真空热处理、喷丸处理和载能束(激光束、离子束、电子束)处理等技术来改善涂层上述组织缺陷。载能束处理是其中研究和报道最多的一种方法，该技术是通过激光束/离子束/电子束对涂层的重熔作用，消除组织缺陷。2009年，大连理工大学的梅显秀等人在《强激光与离子束》上的文章《强流脉冲电子束辐照对NiCoCrAlY涂层结构和性能的影响》的研究表明，采用强流脉冲电子束技术处理低压等离子喷涂NiCoCrAlY涂层后，涂层内部的孔洞和裂纹消失，涂层表面更加致密和平整，大幅提高了涂层抗高温氧化性能。公开号CN103789713公开了一种一种抗氧化MCrAlY细晶防护涂层材料及其制备方法，该方法采用强流脉冲电子束技术处理等离子喷涂MCrAlY涂层得到超细晶结构的重熔层。上述方法仅可改善涂层组织，对涂层合金成分无任何改变。

[0004] 涂层组织结构和合金成分是影响热喷涂MCrAlY涂层抗高温氧化性能的主要因素。通过向涂层中添加适量的Ta、Re、Si、Ti、W、Pt、Hf、稀土等活性合金元素可以有效降低涂层表面氧化膜的生长速率，并提高氧化膜的黏附性，从而提高涂层的抗高温氧化性能。涂层的合金成分通常由粉末决定。涂层合金成分调整的程序通常是先制备出设计成分的粉末，然后再把粉末喷涂形成涂层，最后根据涂层性能反馈结果再优化成分设计。此方法存在周期长，工艺复杂的缺点。

[0005] 因此，开发一种既可改善涂层组织又可改进涂层合金成分的热喷涂MCrAlY涂层改性方法，使涂层具有更好的抗氧化性能，同时又具有操作简便，成本低的优点，显得非常迫切且具有较好的应用前景。

发明内容

[0006] 为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法。利用脉冲等离子体技术处理热喷涂MCrAlY涂层，一方面可消除涂层表层孔洞、裂纹、层片状结构和未熔颗粒等缺陷，同时还可得到细化甚至纳米化的涂层组织；另一方面可在涂层表层渗入有益合金元素。通过上述两方面的协同作用，大幅提高涂层的抗氧化性能。

[0007] 本发明提供了利用组织细化和活性元素协同作用提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，所述方法步骤如下：

[0008] （1）将高温合金基体切割成合适的尺寸，经清洗、除锈、喷砂粗化处理后固定于工作台上；

[0009] （2）采用热喷涂技术在基体表面制备一定厚度的MCrAlY涂层；

[0010] （3）选择待渗入合金元素对应的电极材料，利用脉冲等离子体技术对制备完成的热喷涂MCrAlY涂层进行处理，获得具有微纳米结构的含渗入合金元素的MCrAlY涂层。

[0011] 所述步骤（2）中采用的热喷涂技术包括等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术或低压等离子喷涂技术。

[0012] 所述步骤（2）中的MCrAlY涂层，M为Ni、Co或Ni+Co，包含NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY三种涂层类型。

[0013] 所述步骤（3）中采用的脉冲等离子体技术处理工艺参数为：电压3～10KV，等离子体能量密度105-108W/cm2，处理次数10～20次，处理距离30～100mm，真空度为一个大气压，保护气体为氩气或氮气。

[0014] 所述步骤（3）中的电极材料成分包括Ta、Re、Pt、Hf、稀土元素中的一种或两种及两种以上元素组成的合金。

[0015] 上述技术方案的指导思想是：脉冲等离子体设备采用一个巧妙的推进器装置和等离子枪连接，工作气体在推进器内预先加热、加速后进入等离子枪，然后在高压电容放电作用下产生富含电极合金元素的脉冲等离子体，等离子体在自身感应磁场与电流作用下形成洛伦兹力从而加速轰击基体，基体表面在脉冲、电场、磁场以及弹性变形等作用下，产生异常的热量和大量粒子扩散迁移，将电极合金元素注入基体表层，并将表层极快速加热熔化，由于基体的快速热传导，熔化的表面又快速凝固，最终在基体表面形成具有微纳米结构的新合金层。

[0016] 本发明的有益效果是，本发明方法采用脉冲等离子体技术可在常压状态下（加保护气氛）对涂层进行处理，成本较低且对工件尺寸无限制，而脉冲电子束技术需在真空环境下对涂层进行处理，工件尺寸易受限于真空室大小。此外，本发明提供的方法除可实现脉冲电子束对热喷涂MCrAlY涂层重熔，达到消除涂层组织缺陷和细化组织的效果外，还可向涂层内部渗入有益合金元素，通过组织细化和合金元素的协同作用提高涂层的抗氧化性能。

具体实施方式

[0017] 下面结合实例说明本发明的具体实施方式。

[0018] 实施例1

[0019] 本实施例一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，其步骤如下：

[0020] （1）选取GH49高温合金为基体，将基体切割成20㎜×20㎜×10mm的块体后，经酒精清洗后通过专用喷砂机，采用20～40目的白刚玉砂粒、0.6MPa的喷砂压力对基体表面进行喷砂粗化处理；

[0021] （2）选取Co21Ni21Cr8Al0.5Y粉末为喷涂粉末，采用等离子喷涂技术在经预处理的基体表面制备Co21Ni21Cr8Al0.5Y涂层，涂层厚度为150μm。等离子喷涂技术工艺参数为：电流为750A，氩气流量为1.9m3/h，氢气流量为0.9 m3/h，喷涂距离为80mm，送粉速率50g/min。

[0022] （3）选择Ta为电极材料，利用脉冲等离子体技术对制备完成的等离子喷涂Co21Ni21Cr8Al0.5Y涂层进行处理，采用的脉冲等离子体技术处理工艺参数为：电压为8KV，等离子体能量密度为108W/cm2，处理次数为15次，处理距离为50mm，真空度为一个大气压，保护气体为氩气。

[0023] 通过SEM观察分析发现，经本发明提供的方法处理过的等离子喷涂Co21Ni21Cr8Al0.5Y涂层表层存在约30μm后的改性层，改性层内组织均匀，无明显气孔、裂纹和氧化物分布，且分布着大量的细晶组织。经能谱分析发现，Ta元素的渗入深度约为5μm。
将脉冲等离子技术处理前后的涂层经1000℃×100h的高温氧化性能实验表明，经脉冲等离子技术处理后的涂层表面氧化膜厚度明显小于未经处理的涂层，说明脉冲等离子技术处理后的涂层具有更好的抗氧化性能。

[0024] 实施例2

[0025] 本实施例一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，其步骤如下：

[0026] （1）选取GH49高温合金为基体，将基体切割成20㎜×20㎜×10mm的块体后，经酒精清洗后通过专用喷砂机，采用20～40目的白刚玉砂粒、0.6MPa的喷砂压力对基体表面进行喷砂粗化处理；

[0027] （2）选取Ni22Cr12Al0.5Y粉末为喷涂粉末，采用超音速火焰喷涂技术在经预处理的基体表面制备Ni22Cr12Al0.5Y涂层，涂层厚度为200μm。超音速火焰喷涂技术工艺参数为：煤油流量20L/h，氧气流量53m3/h，喷涂距离为380mm，送粉速率60g/min。

[0028] （3）选择Re为电极材料，利用脉冲等离子体技术对制备完成的超音速火焰喷涂Ni22Cr12Al0.5Y涂层进行处理，采用的脉冲等离子体技术处理工艺参数为：电压为8.5KV，等离子体能量密度为108W/cm2，处理次数为20次，处理距离为60mm，真空度为一个大气压，保护气体为氩气。

[0029] 通过SEM观察分析发现，经本发明提供的方法处理过的超音速火焰喷涂Ni22Cr12Al0.5Y涂层表层存在约40μm后的改性层，改性层内组织均匀，无明显气孔、裂纹和氧化物分布，且分布着大量的细晶组织。经能谱分析发现，Re元素的渗入深度约为8μm。将脉冲等离子技术处理前后的涂层经1000℃×100h的高温氧化性能实验表明，经脉冲等离子技术处理后的涂层表面氧化膜厚度明显小于未经处理的涂层，说明脉冲等离子技术处理后的涂层具有更好的抗氧化性能。

[0030] 实施例3

[0031] 本实施例一种提高热喷涂MCrAlY涂层抗氧化性能的方法，其步骤如下：

[0032] （1）选取GH49高温合金为基体，将基体切割成20㎜×20㎜×10mm的块体后，经酒精清洗后通过专用喷砂机，采用20～40目的白刚玉砂粒、0.6MPa的喷砂压力对基体表面进行喷砂粗化处理；

[0033] （2）选取Co24Cr8Al0.5Y粉末为喷涂粉末，采用低压等离子喷涂技术在经预处理的基体表面制备Co24Cr8Al0.5Y涂层，涂层厚度为200μm。低压等离子喷涂技术工艺参数为：电流为600A，氩气流量为3.6m3/h，氢气流量为0.5 m3/h，喷涂距离为270mm，送粉速率55g/min。

[0034] （3）选择Pt为电极材料，利用脉冲等离子体技术对制备完成的低压等离子喷涂技术Co24Cr8Al0.5Y涂层进行处理，采用的脉冲等离子体技术处理工艺参数为：电压为10 KV，等离子体能量密度为108W/cm2，处理次数为20次，处理距离为70mm，真空度为一个大气压，保护气体为氩气。

[0035] 通过SEM观察分析发现，经本发明提供的方法处理过的低压等离子喷涂技术Co24Cr8Al0.5Y涂层表层存在约45μm后的改性层，改性层内组织均匀，无明显气孔、裂纹和氧化物分布，且分布着大量的细晶组织。经能谱分析发现，Pt元素的渗入深度约为10μm。将脉冲等离子技术处理前后的涂层经1000℃×100h的高温氧化性能实验表明，经脉冲等离子技术处理后的涂层表面氧化膜厚度明显小于未经处理的涂层，说明脉冲等离子技术处理后的涂层具有更好的抗氧化性能。