专利名称：镍铝基金属间化合物涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及无机材料涂层，尤其涉及一种镍铝基金属间化合物涂层及其制备方法。
背景技术：
NiAl基金属间化合物是一种具有优异高温抗氧化性能，同时又具有热导率的涂层材料。作为重要的涂层材料，NiAl基金属间化合物已在航空发动机叶片上得到广泛的研究和应用，已经成为热防护涂层的重要组成部分。目前的制备方法有热喷涂、CVD、EB-PVD、磁控溅射等涂层制备技术，存在对设备要求高、工艺复杂、成本高等限制。相比之下，使用自蔓延合成的方法合成NiAl基金属间化合物具有高效、节能、产品纯度高等优点。·尽管近年来使用自蔓延合成NiAl在涂层制备方面取得了一系列进展，但该技术·的实际应用仍受到限制。其中一个关键问题是NiAl本身熔点较高(1911K)，在自蔓延合成过程中较难实现全液相合成，产品的孔隙率较大，导致高致密度涂层的制备有很大难度。根据热力学计算，使用传统自蔓延方法在合成过程中只能实现42%左右的液相NiAl，并随反应结束迅速凝固成形，液相NiAl存在时间往往仅有数秒。因此，如何提高反应中的液相含量是提高涂层质量的关键。此外，当前的NiAl基金属间化合物涂层还存在对铁或不锈钢基体的润湿性不够好，界面结合强度差的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，发明人预料不到地发现，通过添加Ti粉末可改善镍铝基金属间化合物涂层对铁基或不锈钢基体的润湿性，可提高镍铝基金属间化合物涂层与铁基或不锈钢基体的结合强度；此外，通过使用感应加热(频率为10(T500kHz)并施以压强(IOlOMPa)的方法，可提高镍铝基金属间化合物合成过程中液相含量，可以实现快速制备致密度高且孔隙率低的镍铝基金属间化合物涂层，从而完成本发明。本发明提供一种镍铝基金属间化合物涂层，包括质量分数为55 70%的Ni，质量分数为25 35%的Al，质量分数为3 15%的Ti。采用上述技术方案，本发明提供的镍铝基金属间化合物涂层对铁基或不锈钢基体具有很好的润湿性，与铁基基体或不锈钢基体的结合强度大大提高，结合强度可以达到240Mpa 以上。作为本发明的进一步改进，所述镍铝基金属间化合物涂层的具体成分包括但不限于 NiAl、NiAl3、TiAl 和 Ti2Ni。作为本发明的进一步改进，所述镍铝基金属间化合物涂层还包括质量分数为O. 01" %的掺杂元素,所述掺杂元素选自Hf、V和Zr的一种或多种。通过上述质量分数掺杂元素的添加，可以进一步提高结合强度，可以达到280Mpa以上；若掺杂元素的质量分数超过1%，则会导致结合强度的降低。相应的，本发明还提供一种镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，包括如下步骤
A)称取原料并混匀，干燥后，在4(T200Mpa的压强下压制成压坯；所述原料包括55 70重量份数的Ni粉，25 35重量份数的Al粉和3 15重量份数的Ti粉；
B)将所述压坯置于基体上，在IOlOMPa的压强下通过感应加热将所述压坯加热至60(T680°C，感应加热的频率为10(T500kHz，发生剧烈反应，反应5 100 S，生成镍铝基金属间化合物涂层。采用上述技术方案，本发明提供的制备方法通过感应加热(频率为10(T500kHz)并施以压强(l(T40MPa)，能够均匀、快速地加热压坯，压坯受热后发生放热反应，当压坯加热至600°C以上时，NiAl即可实现全液相合成，反应温度可超过NiAl本身熔点，极短时间内生成液相成分并在基体与镍铝表面涂层之间形成过渡层，可以实现镍铝基金属间化合物涂层的快速制备，且制备的镍铝基金属间化合物涂层产物质量好，致密度高，孔隙率低，与铁基或不镑钢基体的结合强度大大提闻。
作为本发明的进一步改进，所述镍铝基金属间化合物涂层的具体成分包括但不限于 NiAUTi3Al 和 Ti2Ni。作为本发明的进一步改进，所述Ni粉的平均粒径为f 20微米，所述Al粉的平均粒径为3 15微米，所述Ti粉的平均粒径为f 10微米。作为本发明的进一步改进，所述Ni粉的平均粒径为3 11微米，所述Al粉的平均粒径为1(Γ12微米，所述Ti粉的平均粒径为3飞微米。作为本发明的进一步改进，所述原料还包括O. Ofl重量份数的掺杂元素，所述掺杂元素选自Hf、V和Zr的一种或多种。此外，本发明还提供镍铝基金属间化合物涂层的另一制备方法，包括如下步骤
Α)称取原料并混匀，干燥后，在4(T200Mpa的压强下压制成过渡压坯；所述原料包括
55 70重量份数的Ni粉，25 35重量份数的Al粉；
B)称取3 15重量份数的Ti粉均匀置于所述过渡压坯下，在4(T200Mpa的压强下压制成压坯；
C)将所述压坯含Ti的一面朝下并置于基体上，在IOlOMPa的压强下通过感应加热将所述压坯加热至60(T680°C，感应加热的频率为10(T500kHz，反应5 100 S，生成镍铝基金属间化合物涂层。采用上述技术方案，通过增加Ti与基体的接触面积以及使用感应加热，可实现全液相合成，反应温度可超过NiAl本身熔点，极短时间内生成液相成分并在基体与镍铝表面涂层之间形成过渡层，可以实现镍铝基金属间化合物涂层的快速制备，制备工艺简单，且制备的镍铝基金属间化合物涂层产物质量好，致密度高，孔隙率低，与铁基或不锈钢基体的结合强度得到极大地提高。作为本发明的进一步改进，所述原料还包括O. Ofl重量份数的掺杂元素，所述掺杂元素选自Hf、V和Zr的一种或多种。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明提供的镍铝基金属间化合物涂层对铁基或不锈钢基体具有很好的润湿性，与铁基或不锈钢基体的结合强度大大提高；本发明提供的制备方法可实现全液相合成，提高镍铝基金属间化合物合成过程中液相含量，可以实现镍铝基金属间化合物涂层的快速制备，制备工艺简单，经济效益好，且制备的镍铝基金属间化合物涂层产物质量好，致密度高，孔隙率低，可靠性强，与铁基或不锈钢基体的结合强度大大提高。
图I镍铝基金属间化合物涂层与铁基基体结合的扫描电镜图；其中I-A为铁基基体，I-B为过渡层，I-C为NiAl涂层。图2镍铝基金属间化合物涂层与铁基基体结合的二次电子成像图；其中2-A为铁基基体，2-B为过渡层，2-C为NiAl涂层。图3镍铝基金属间化合物涂层与铁基基体结合形成的过渡层的扫描电镜图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一镍铝基金属间化合物涂层的制备。称取55重量份数的Ni粉、35重量份数的Al粉和10重量份数的Ti粉，混匀，干燥后，在150Mpa的压强下压制成压坯；其中，Ni粉的平均粒径为3微米，Al粉的平均粒径为12微米，Ti粉的平均粒径为10微米。将得到的压坯置于铁基基体上，在40MPa的压强下通过现有的感应加热技术将所述压坯加热至650°C，感应加热的频率为320kHz，发生剧烈反应，反应10 S，生成镍铝基金属间化合物涂层，与铁基基体的结合强度经现有的拉伸法测量达到 245 MPa。镍铝基金属间化合物涂层与铁基基体结合的扫描电镜图如图I所示，二次电子成像图如图2所示，其中A为铁基基体，B为过渡层，C为NiAl涂层。从图2可以看出铁基基体与过渡层之间并无明显空隙；过渡层与NiAl涂层之间并无明显空隙。过渡层的扫描电镜图如图3所示，从图3可知，过渡层存在A、B、C、D、E、F多个相，具有多种成分。各相的化学成分如表I所示。
表I各相的化学成分
权利要求
1.一种镍铝基金属间化合物涂层，其特征在于包括质量分数为55 70%的Ni，质量分数为25 35%的Al，质量分数为3 15%的Ti。
2.根据权利要求I所述的镍铝基金属间化合物涂层，其特征在于所述镍铝基金属间化合物涂层的具体成分包括NiAl、NiAl3、TiAl和Ti2Ni。
3.根据权利要求I或2所述的镍铝基金属间化合物涂层，其特征在于还包括质量分数为O. 0Γ1%的掺杂元素，所述掺杂元素选自Hf、V和Zr的一种或多种。
4.一种镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤 Α)称取原料并混匀，干燥后，在4(T200Mpa的压强下压制成压坯；所述原料包括55 70重量份数的Ni粉，25 35重量份数的Al粉和3 15重量份数的Ti粉； B)将所述压坯置于基体上，在IOlOMPa的压强下通过感应加热将所述压坯加热至60(T680°C，感应加热的频率为10(T500kHz，反应5 100 S，生成镍铝基金属间化合物涂层。
5.根据权利要求4所述的镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于所述镍铝基金属间化合物涂层的具体成分包括NiAl、Ti3Al和Ti2Ni。
6.根据权利要求4或5所述的镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于所述Ni粉的平均粒径为f 20微米，所述Al粉的平均粒径为3 15微米，所述Ti粉的平均粒径为1 10微米。
7.根据权利要求6所述的镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于所述Ni粉的平均粒径为3 11微米，所述Al粉的平均粒径为1(Γ12微米，所述Ti粉的平均粒径为3 5微米。
8.根据权利要求4所述的镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于所述原料还包括O. 0Γ1重量份数的掺杂元素，所述掺杂元素选自Hf、V和Zr的一种或多种。
9.一种镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤 Α)称取原料并混匀，干燥后，在4(T200Mpa的压强下压制成过渡压坯；所述原料包括55 70重量份数的Ni粉和25 35重量份数的Al粉； B)称取3 15重量份数的Ti粉均匀置于所述过渡压坯下，在4(T200Mpa的压强下压制成压坯； C)将所述压坯含Ti的一面朝下并置于基体上，在IOlOMPa的压强下通过感应加热将所述压坯加热至60(T680°C，感应加热的频率为10(T500kHz，反应5 100 S，生成镍铝基金属间化合物涂层。
10.根据权利要求9所述的镍铝基金属间化合物涂层的制备方法，其特征在于所述原料还包括O. 0Γ1重量份数的掺杂元素，所述掺杂元素选自Hf、V和Zr的一种或多种。
全文摘要
本发明提供一种镍铝基金属间化合物涂层，包括质量分数为55~70%的Ni，质量分数为25~35%的Al，质量分数为3~15%的Ti。本发明提供的镍铝基金属间化合物涂层对铁基或不锈钢基体具有很好的润湿性，与铁基或不锈钢基体的结合强度大大提高。此外，本发明提供的制备方法可提高镍铝基金属间化合物合成过程中液相含量，可以实现镍铝基金属间化合物涂层的快速制备，且制备的镍铝基金属间化合物涂层产物质量好，致密度高，孔隙率低。
文档编号C23C30/00GK102888536SQ20121039935
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者朱晓萌, 李明雨 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院