一种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂及其制备方法，其原料按照质量百分比，包括3个组份，18～30％的液体组份A，35～60％的液体组分B，余量为固体组份C。本发明的渗铝料浆配伍合理，铝含量适中，添加形式多样，既提高了铝的渗入速度及渗层厚度，又保证了渗层的韧性，力学性能得到提高。所用活化剂、粘接剂等均在高温渗铝过程中参与或促进反应，无有害残留，保证渗层纯净度，提高渗铝涂层的使用寿命。本发明制备的铝铬硅料浆，大幅度提高了铝铬硅涂层抗硫腐蚀性、抗氧腐蚀性、热稳定性及涂层寿命；同时改善了以往传统铝渗剂制备的涂层厚度不均匀、表面结瘤、局部富铝等缺陷。

权利要求

1.一 种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂，其特征在于，其原料按照质量百分比，包括3个组份，18 30%的液体组份A，35 60%的液体组分B，余量为固体组份C；

~ ~

其中：

液体组份A 原料按照质量百分比，由以下组份组成：5~20%的AlCl3、3.7~8.6%的NH4Cl、8~15%的Cr2O3和16~30%的H3PO4溶液，余量为无水乙醇；

液体组份B原料按照质量百分比，由以下组份组成：10~17.5%的CrCl3、25~35%的Al2O3和

10~20%的H3PO4溶液，余量为无水乙醇；

固体组份C为固体粉末，原料按照质量百分比，由以下组份组成，50 70%的球形AlCr粉~

末和30 50%的Si粉，余量为球形Al粉；

~

所述组份A和B中H3PO4溶液的浓度为80~90%；所述液体组份A需要加入适量水调节密度

3 ‑3

为1.1 1.5g/cm 、pH值为0.2 1.2、粘度为(3 15)×10 Pa·s；所述液体组分B需要加入适量~ ~ ~

3 ‑3

水调节密度为1.0 1.4 g/cm 、pH值为0.8 2.6、粘度为(5 12)×10  Pa·s；所述组份C中~ ~ ~

AlCr粉末中Al的含量为55 70%。

~

2.根据权利要求1所述的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂，其特征在于，镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂，原料按照质量百分比，由以下组份组成，20%的液体组份A，40%的液体组分B，余量为固体组份C。

3.根据权利要求2所述的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂，其特征在于，所述的液体组份A ，按照质量百分比，由以下组份组成：6%的AlCl3、6%的NH4Cl、10%的Cr2O3和24%的H3PO4溶液，余量为无水乙醇；所述液体组分B按照质量百分比，由以下组份组成：15%的CrCl3、30%的Al2O3和15%的H3PO4溶液，余量为无水乙醇；所述固体组分C，按照质量百分比，由以下组份组成：60%的球形AlCr粉末、30%的Si粉，余量为球形Al粉，其中AlCr粉末中Al的含量为60%。

4.一种根据权利要求1 3中任意一项所述的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂的制备~

方法，包括以下步骤：

1）液体组份A的制备：将AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液以及无水乙醇按照比例混合后，‑3

搅拌混匀，然后加入适量水，调节稀释后氯元素的浓度低于10 mol/L，并调节组份密度、pH和粘度至所需范围，再静置、过滤，得到液体组份A；

2）液体组分B的制备：将CrCl3、Al2O3、H3PO4溶液和无水乙醇按照比例进行混合后，搅拌混匀，然后静置；后加入适量水，调节组份密度、pH和粘度至所需范围，得到液体组份B；

3）固体组份C的制备：AlCr粉末、Si粉和Al粉进行球磨混合后，得到固体组份C；

4）料浆渗剂的制备：按照比例将液体组份A和液体组份B混合均匀，接着加入固体组份C，混合均匀后，加水进行稀释，然后置于真空干燥箱中进行干燥，得到料浆渗剂。

5.根据权利要求4所述的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液中加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液，混匀后加入剩余部分的无水乙醇混合均匀；静置时间为60 100h。

~

6.根据权利要求4所述的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，静置时间为60 100h。

~

7.根据权利要求4所述的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中，加水稀释是按照质量比稀释9 11倍；真空保温温度为50 80℃，保温时间为~ ~

16 50h。

~

说明书

一种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 航空航天领域的更新换代需要更先进和高推重比的涡轮发动机，因此对材料也提出越来越高的要求。航空发动机的需求与高温合金的发展紧密相连。目前先进燃气轮机的
燃气进口温度可达1600℃，叶片的工作温度可达1000～1200℃，涡轮发动机的高温部件不
仅要承受热循环和机械负荷，还要受到燃油燃烧产生的硫酸盐等腐蚀性颗粒的侵蚀。镍基
高温合金因既具有良好的耐高温氧化和热腐蚀性能，又具有较高的高温蠕变强度和断裂强
度，从而在涡轮发动机叶片等领域得到极为广泛的应用。目前叶片材料的研究趋势是降低
合金中铬含量以提高其高温强度，副作用是合金使用时产生更为严重的高温氧化和燃气热
腐蚀问题。现在仅仅依靠高温合金成分的设计已经无法满足工业需求。因此，必须利用表面
处理技术提高高温合金的性能以达到更高的工作温度。因此寻找一种具有优异的抗高温氧
化性能和抗高温腐蚀性能的防护涂层是十分必要的。在高性能渗铝涂层中，液体(料浆)渗
铝工艺和固体渗铝工艺是最为成熟且应用最广的工艺。在高温氧化环境中，渗铝涂层在材
料表面生成一层致密的氧化铝膜，从而阻止外界的腐蚀介质与基体进一步发生反应，有效
保护基体免受外界腐蚀。但固体渗剂易导致环境污染、渗层均匀性难以控制、易产生节瘤、
局部富铝等缺点，液体料浆便是最佳选择，可以实现局部渗铝，但传统配方的渗铝料浆存在
以下问题：(1)传统AlNi料浆渗剂制备的涂层耐高温氧化、耐腐蚀性能不足；(2)传统料浆粘
度与酸碱度不合适，在高温合金叶片等零件表面烘干后出现局部不均匀、节瘤等问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种耐氧、硫气氛腐蚀且涂覆性均匀的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂及其制备方法。

[0004] 本发明这种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂，原料按照质量百分比，包括3个组份，18～30％的液体组份A，35～60％的液体组分B，余量为固体组份C；其中：

[0005] 液体组份A原料按照质量百分比，由以下组份组成：5～20％的AlCl3、3.7～8.6％的NH4Cl、8～15％的Cr2O3和16～30％的H3PO4溶液，余量为无水乙醇；

[0006] 液体组份B原料按照质量百分比，由以下组份组成：10～17.5％的CrCl3、25～35％的Al2O3和10～20％的H3PO4溶液，余量为无水乙醇；

[0007] 固体组份C为固体粉末，原料按照质量百分比，由以下组份组成，50～70％的球形AlCr粉末和30～50％的Si粉，余量为球形Al粉。

[0008] 所述组份A和B中H3PO4溶液的浓度为80～90％；液体组份A需要加入适量水调节密3 ‑3
度为1.1～1.5g/cm、pH值为0.2～1.2、粘度为3～15×10 Pas；所述液体组分B需要加入适
3 ‑3
量水调节密度为1.0～1.4g/cm 、pH值为0.8～2.6、粘度为5～12×10 Pas；所述组份C中
AlCr粉末中Al的含量为55～70％。

[0009] 优选的，这种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂，原料按照质量百分比，由以下组份组成，20％的液体组份A，40％的液体组分B，余量为固体组份C。

[0010] 优选的，所述的液体组份A，按照质量百分比，由以下组份组成：6％的AlCl3、6％的NH4Cl、10％的Cr2O3和24％的H3PO4溶液，余量为无水乙醇。

[0011] 优选的，所述液体组分B按照质量百分比，由以下组份组成：15％的CrCl3、30％的Al2O3和15％的H3PO4溶液，余量为无水乙醇。

[0012] 优选的，所述固体组分C，按照质量百分比，由以下组份组成：60％的球形AlCr粉末、30％的Si粉，余量为球形Al粉，其中AlCr粉末中Al的含量为60％。

[0013] 本发明这种镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂的制备方法，包括以下步骤：

[0014] 1)液体组份A的制备：将AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液以及无水乙醇按照比例混‑3
合。后加入适量水，搅拌混匀，调节稀释后氯元素的浓度低于10 mol/L，并调节组份密度、pH
和粘度至所需范围；再然后静置、过滤，得到液体组份A；

[0015] 2)液体组分B的制备：将CrCl3、Al2O3、H3PO4溶液和无水乙醇按照比例进行混合后，搅拌混匀，然后静置；再然后加入适量水，调节组份密度、pH和粘度至所需范围，得到液体组
份B；

[0016] 3)固体组份C的制备：AlCr粉末、Si粉和Al粉进行球磨混合后，得到固体组份C；

[0017] 4)料浆渗剂的制备：按照比例将液体组份A和液体组份B混合均匀，接着加入固体组份C，混合均匀后，加水进行稀释，然后置于真空干燥箱中进行干燥，得到料浆渗剂。

[0018] 所述步骤1)中，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液中加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液，混匀后加入剩余部分的无水乙醇混合均匀；静置时间为60～100h。

[0019] 所述步骤2)中，静置时间为60～100h。

[0020] 所述步骤4)中，加水稀释是按照质量比稀释9～11倍；真空干燥温度为50～80℃，保温时间为16～50h。

[0021] 本发明的原理：

[0022] 本发明的的固体组份C中加入了Al粉，其与Ni形成中间化合物强化相，产生沉淀强化，且使涂层表层形成致密的Al2O3薄膜，提高镍基高温合金表面高温蠕变强度、抗疲劳性
能、抗氧化和抗热腐蚀性能；Cr元素的加入：与Ni形成Ni‑Cr固溶体，产生固溶强化，且形成
Cr2O3、NiCr2O4的复合氧化膜，提高镍基高温合金表面高温抗氧化、抗硫化性能，提高抗点
蚀、间隙腐蚀性能。Si粉的加入：形成的弥散相对涂层与基体间起到了钉扎和阻碍作用,能
够阻止Al向内扩散和Ni向外扩散，大大提高涂层与基体间的结合强度和使用寿命，且Si与
Al形成Al‑Si内扩散层，提高镍基高温合金表面耐磨损性能；

[0023] 本发明中组份A和B的采用无水乙醇，对金属粉末有较好的润湿作用，可以减少粉末团聚，使粉末分布更加均匀。

[0024] 本发明的有益效果：

[0025] 1)本发明的渗铝料浆配伍合理，铝含量适中，添加形式多样，既提高了铝的渗入速度及渗层厚度，又保证了渗层的韧性，力学性能得到提高。所用活化剂、粘接剂等均在高温
渗铝过程中参与或促进反应，无有害残留，保证渗层纯净度，提高渗铝涂层的使用寿命。

[0026] 2)本发明制备的铝铬硅料浆，大幅度提高了铝铬硅涂层抗硫腐蚀性、抗氧腐蚀性、热稳定性及涂层寿命；同时改善了以往传统铝渗剂制备的涂层厚度不均匀、表面结瘤、局部
富铝等缺陷。本发明渗铝剂应用于航空航天发动机叶片，大大提高了航空航天飞机发动机
叶片的使用寿命。

附图说明

[0027] 图1实施例1和2中料浆渗剂制备得到涂层截面扫描电镜图；(a)实施例1；(b)实施例2。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0029] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0030] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指
同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

[0031] 实施例1

[0032] 首先，以质量分数计，配制组分A：20％、组分B：40％以及组分C：40％的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂；其中，组分A：6％的AlCl3、6％的NH4Cl、10％的Cr2O3和24％的H3PO4
溶液(浓度85％)，余量为无水乙醇；组分B：15％的CrCl3、30％的Al2O3和15％的H3PO4溶液(浓
度85％)，余量为无水乙醇；组分C：60％的球形AlCr粉末、30％的Si粉，余量为球形Al粉，其
中AlCrSi粉末中Al的含量为60％。

[0033] 将上述组分A充分混合，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液中加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液(浓度85％)，混匀后加入剩余部分的无水乙醇溶液混合均匀。后加入蒸馏
水稀释，调节组份密度、pH和粘度至所需范围，静置80h后过滤，得到液体组分A，其中氯元素
‑3 3 ‑3
的浓度低于10 mol/L，组分密度为1.2g/cm、pH值为0.3以及粘度为6×10 Pas。

[0034] 将上述组分B充分混合后、稀释，静置72h，得到液体组分B。组分密度为1.2g/cm3、‑3
pH值为1.3以及粘度为7×10 Pas。

[0035] 将所述AlCr粉末、Cr粉末和球形Al粉末用球磨机混合，配制组分C。

[0036] 将组分A、组分B混匀后，加入组份C，搅拌均匀后，得到料浆，将料浆与超纯水按照1:10的比例进行稀释，然后将其放入到放入真空干燥箱中干燥，温度调至70℃，保温20h，即
得到AlCrSi料浆渗剂。

[0037] 将得到AlCrSi料浆渗剂依常规方法喷涂到镍基高温飞机发动机的叶片上，其涂层截面如图1(a)所示。

[0038] 实施例2

[0039] 首先，以质量分数计，配制组分A：20％、组分B：40％以及组分C：40％的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂；其中，组分A：6％的AlCl3、7％的NH4Cl、12％的Cr2O3和22％的H3PO4
溶液(浓度85％)，余量为无水乙醇；组分B：16％的CrCl3、32％的Al2O3和12％的H3PO4溶液(浓
度85％)，余量为无水乙醇；组分C：55％的球形AlCr粉末、32％的Si粉，余量为球形Al粉，其
中AlCrSi粉末中Al的含量为60％；

[0040] 将上述组分A充分混合，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液(浓度85％)，混匀后加入剩余部分的无水乙醇混合均匀。后用蒸馏水稀释，
调节组份密度、pH和粘度至所需范围，静置80h后过滤，得到液体组分A，其中氯元素的浓度
‑3 3 ‑3
低于10 mol/L，组分密度为1.2g/cm、pH值为0.3以及粘度为6×10 Pas。

[0041] 将上述组分B充分混合后、稀释、静置72h，得到液体组分B。组分密度为1.2g/cm3、‑3
pH值为1.3以及粘度为7×10 Pas。

[0042] 将所述AlCr粉末、Cr粉末和球形Al粉末用球磨机混合，配制组分C。

[0043] 将组分A、组分B混合均匀后，加入组分C混合搅拌均匀，得到料浆，将料浆与超纯水按照1:10的比例进行稀释，然后将其放入到放入真空干燥箱中干燥，温度调至70℃，保温
20h，即得到AlCrSi料浆渗剂。

[0044] 将上述AlCrSi料浆渗剂依常规方法喷涂到镍基高温飞机发动机的叶片上，其涂层截面如图1(b)所示。

[0045] 实施例3

[0046] 首先，以质量分数计，配制组分A：20％、组分B：40％以及组分C：40％的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂；其中，组分A：7％的AlCl3、8％的NH4Cl、13％的Cr2O3和22％的H3PO4
溶液(浓度85％)，余量为无水乙醇；组分B：17％的CrCl3、33％的Al2O3和12％的H3PO4溶液(浓
度85％)，余量为无水乙醇；组分C：55％的球形AlCr粉末、32％的Si粉，余量为球形Al粉，其
中AlCrSi粉末中Al的含量为60％。

[0047] 将上述组分A充分混合，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液(浓度85％)，混匀后加入剩余部分的无水乙醇混合均匀。后用蒸馏水稀释，
调节组份密度、pH和粘度至所需范围，静置80h后过滤，得到液体组分A，其中氯元素的浓度
‑3 3 ‑3
低于10 mol/L，组分密度为1.2g/cm、pH值为0.3以及粘度为6×10 Pas。

[0048] 将上述组分B充分混合后、稀释，静置72h，得到液体组分B。组分密度为1.1g/cm3、‑3
pH值为1.3以及粘度为7×10 Pas。

[0049] 将所述AlCr粉末、Cr粉末和球形Al粉末用球磨机混合，配制组分C。

[0050] 将组分A、组分B混合均匀后，加入组分C混合搅拌均匀，得到料浆，将料浆与超纯水按照1:10的比例进行稀释，然后将其放入到放入真空干燥箱中干燥，温度调至70℃，保温
20h，即得到AlCrSi料浆渗剂。

[0051] 最后，将上述AlCrSi料浆渗剂依常规方法喷涂到镍基高温飞机发动机的叶片上。

[0052] 实施例4

[0053] 首先，以质量分数计，配制组分A：15％、组分B：42％以及组分C：43％的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂；其中，组分A：6％的AlCl3、6％的NH4Cl、10％的Cr2O3和24％的H3PO4
溶液(浓度85％)，余量为无水乙醇；组分B：15％的CrCl3、30％的Al2O3和15％的H3PO4溶液(浓
度85％)，余量为无水乙醇；组分C：60％的球形AlCr粉末、30％的Si粉，余量为球形Al粉，其
中AlCrSi粉末中Al的含量为60％。

[0054] 将上述组分A充分混合，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液(浓度85％)，混匀后加入剩余部分的无水乙醇混合均匀。后用蒸馏水稀释，
调节组份密度、pH和粘度至所需范围，静置80h后过滤，得到液体组分A，其中氯元素的浓度
‑3 3 ‑3
低于10 mol/L，组分密度为1.2g/cm、pH值为0.3以及粘度为7×10 Pas。

[0055] 将上述组分B充分混合后、稀释，静置72h，得到液体组分B。组分密度为1.2g/cm3、‑3
pH值为1.3以及粘度为7×10 Pas。

[0056] 将所述AlCr粉末、Cr粉末和球形Al粉末用球磨机混合，配制组分C。

[0057] 将组分A、组分B混合均匀后，加入组分C混合搅拌均匀，得到料浆，将料浆与超纯水按照1:10的比例进行稀释，然后将其放入到放入真空干燥箱中干燥，温度调至70℃，保温
20h，即得到AlCrSi料浆渗剂。

[0058] 最后，将AlCrSi料浆渗剂依常规方法喷涂到镍基高温飞机发动机的叶片上。

[0059] 实施例5

[0060] 首先，以质量分数计，配制组分A：20％、组分B：40％以及组分C：40％的镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂；其中，组分A：6％的AlCl3、6％的NH4Cl、10％的Cr2O3和24％的H3PO4
溶液(浓度85％)，余量为无水乙醇；组分B：15％的CrCl3、30％的Al2O3和15％的H3PO4溶液(浓
度85％)，余量为无水乙醇；组分C：60％的球形AlCr粉末、30％的Si粉，余量为球形Al粉，其
中AlCrSi粉末中Al的含量为60％。

[0061] 将上述组分A充分混合，混料顺序为：先向部分无水乙醇溶液加入AlCl3、NH4Cl、Cr2O3、H3PO4溶液(浓度85％)，混匀后加入剩余部分的无水乙醇混合均匀，后用蒸馏水稀释
‑3
调节PH及黏度，静置80h后过滤，得到液体组分A。其中氯元素的浓度低于10 mol/L，组分密
3 ‑3
度为1.0g/cm、pH值为1.0以及粘度为7×10 Pas。

[0062] 将上述组分B充分混合后、稀释，静置72h，得到液体组分B。组分密度为1.0g/cm3、‑3
pH值为1.4以及粘度为11×10 Pas。

[0063] 将所述AlCr粉末、Cr粉末和球形Al粉末用球磨机混合，配制组分C。

[0064] 将组分A、组分B混合均匀后，加入组分C混合搅拌均匀，得到料浆，将料浆与超纯水按照1:10的比例进行稀释，然后将其放入到放入真空干燥箱中干燥，温度调至70℃，保温
25h，即得到AlCrSi料浆渗剂。

[0065] 最后，将上述AlCrSi料浆渗剂依常规方法喷涂到镍基高温飞机发动机的叶片上。

[0066] 本发明做了不同实施例的氧化实验，将实施例1～5的喷涂好的试样用酒精清洗，并吹干，用四位数的电子天平秤量氧化之前的重量，再放入马弗炉中加热到1000℃，隔200h
后，称取质量变化，比上样品的表面积，即可计算出单位面积的质量变化。实验结果可知，本
发明镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂比传统方法制备的渗铝剂的抗氧化性能力大大提
2
高(传统方法氧化实验100h后增重为1.10mg/cm )。氧化200h之后的质量变化分别为：
2 2 2 2 2
0.5762mg/cm、0.6158mg/cm、0.8704mg/cm、0.8979mg/cm 、0.9198mg/cm ，从上述实验结果
可知，本发明镍基高温合金表面AlCrSi料浆渗剂抗氧化性显著提高，实例1得到的铝化物涂
层抗氧化性能最好，且是传统方法所得涂层抗氧化能力的三倍以上。

[0067] 图1(a)和(b)别为本发明实施例1和2涂层截面扫描电镜图，从图1可知，实施1和2的涂层相对而言都比较均匀，尤其是实施例1渗铝层厚度最大且均匀率最好。

[0068] 本发明制备的渗铝剂，解决了以往传统渗剂抗氧化性能差、渗铝层厚度不均等问题，本发明渗铝剂应用于航空航天发动机叶片，大大提高了航空航天飞机发动机叶片的使
用寿命。

[0069] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术
方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发
明的权利要求范围当中。