一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法，属于新型热障涂层及其制备【技术领域】。本发明首先利用电镀或电子束物理气相沉积的方法在镍基单晶高温合金基体上制备一层厚度5～10μm的Pt层，然后利用电子束物理气相沉积方法在Pt层上面沉积一层20～60μm?NiAlHfZr涂层。Pt层减少了界面孔洞，有效的提高了氧化膜的粘附性；Hf、Zr二元掺杂使NiAl涂层表面更加平整致密，在氧化过程中涂层表面生成的氧化膜更加平直，尤其氧化增重很少，极大的提高了涂层的抗氧化性能，在1200℃空气中完全抗氧化，经过二元活性元素Hf、Zr掺杂并且Pt改性后对涂层使用寿命的提高起到了一定的促进作用。
【专利说明】—种1200 °C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAI粘结层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型热障涂层粘结层材料及其制备方法，更具体的是指用电镀和电子束物理气相沉积的方法制备一种适用于镍基单晶高温合金、1200°c完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl涂层。
【背景技术】
[0002]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，已应用于燃气涡轮机、航空发动机的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。由于粘结层成分对氧化层的生长速度、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。
[0003]NiAl是一种长程有序的金属间化合物，由于金属键和共价键共存的特性，Ni50Al50的熔点Tm为1638°C，具有制备超高温热障涂层粘结层的先决条件。此外Ni5tlAl5tl有较低的密度(5.9g/cm3)、较高 的杨氏模量(240GPa)，因此长期以来作为高温结构器件的备选材料而得到广泛关注。NiAl具有优良抗高温氧化性能，其抗高温氧化性能主要基于能够形成具有低生长速率的单一完整的Q-Al2O3氧化膜。但NiAl直接作为粘结层有一些缺点，NiAl涂层在高温氧化时形成大量空洞，空洞在金属和氧化膜界面限制了金属与膜的接触，界面空洞是影响粘附性的重要因素。因此需要对NiAl涂层进行改性，制备一种新型热障涂层粘结层材料。
[0004]J.A.Haynes, B.A.Pint等人研究发现通过Pt改性可以有效减少NiAl涂层界面空洞，显著提高NiAl涂层的粘结性，Pt的添加量为6-8at.%时，便可起到很好的作用(见参考文献 1:J.A.Haynes, B.A.Pint, K.L.More, Y.Zhang, 1.G.Wright, Oxid.Met.58 (2002) 513)。B.A.Pint, 1.G.Wright等人研究发现NiAl涂层中掺杂微量的，Hf、Zr显著提高了涂层的粘结性，且氧化增重很少(见参考文献2:B.A.Pint, 1.G.Wright, ff.Y.Lee, Y.Zhang, Κ.B.Alexander.Mat.Sc1.&Eng.1998, 245A: 201 - 211)。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种新型热障涂层粘结层材料及其制备方法，更具体的是指利用电镀和电子束物理气相沉积的方法制备一种适用于镍基单晶高温合金、1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层。首先利用电镀或电子束物理气相沉积的方法在镍基单晶高温合金基体上制备一层厚度5~10 μ m的Pt层，然后利用电子束物理气相沉积方法在Pt层上面沉积一层20~60 μ m NiAlHfZr涂层。利用电镀或电子束物理气相沉积一层Pt减少了界面孔洞，有效的提高了氧化膜的粘附性；Hf、Zr 二元掺杂使NiAl涂层表面更加平整致密，在氧化过程中涂层表面生成的氧化膜更加平直，尤其氧化增重很少，极大的提高了涂层的抗氧化性能，这种新型的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层的抗高温氧化性能远高于普通的NiAl系涂层，在1200°C空气中完全抗氧化，经过二元活性元素Hf、Zr掺杂并且Pt改性后对涂层使用寿命的提高起到了一定的促进作用。
[0006]本发明提供的热障涂层粘结层材料中，Pt层的厚度为5~10 μ m，NiAlHfZr层的厚度为20~60 μ m。在NiAlHfZr层中，Al含量为40~55at%，Hf含量为0.025~L 00at%,Zr含量为0.025~1.00at%，余量为Ni。
[0007]要制得所述的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层，本发明采用电镀和电子束物理气相沉积的方法制备，该制备方法包括有下列步骤:
[0008]第一步:准备基体材料
[0009]利用线切割的方法将基体合金切成规格为10X8X3mm3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。然后将切好的基体试样依次用320#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，使基体表面粗糙度Ra〈0.8，将12条棱全部倒成圆角，最后将打磨好的基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15分钟，烘干、备用。
[0010]所述的基体合金选取N5镍基单晶高温合金、IC211镍基单晶高温合金或者DD6镍
基单晶高温合金。
[0011]第二步:在基体上电镀或电子束物理气相沉积Pt层
[0012](A)如采用电镀法制备Pt层:
[0013]将第一步中准备好的基体样品表面喷砂预处理，再将样品放入50mL/L的盐酸溶液中活化处理Imin~3min后，用去离子水冲洗3~4次。然后将活化处理后的样品表面电镀上一层厚度适中的镍层，再用去离子水冲洗3~4次。
[0014]将预处理后的基体放入镀Pt液中电镀Pt层，镀Pt液的成分是:亚硝酸二氨钼(Pt (NH3)2 (NO2)2)含量为 17g/L，硝酸铵(NH4NO3)含量 100g/L，亚硝酸钠(NaN02)含量为 IOg/L，氨水(NH4OH)含量为50g/L。电镀Pt工艺参数为:电流密度为0.5~2A/dm2，镀液温度为90~100°C，电镀时间I~2h，镀层厚度为5~10 μ m。
[0015](B)如采用电子束物理气相沉积法制备Pt层:
[0016]将第一步中准备好的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，用无水乙醇擦拭试样的表面；将安装有基体的旋转基板架放入电子束物理沉积设备的沉积室中，沉积室抽真空至3X10_3Pa ;设定基板旋转速率为8~lOrpm，逐渐升高电子束电流，用电子束加热基板到700~800°C;控制电子束电流为1.2~1.5A，电子束电压为17~19KV ；蒸镀时间为20~30min,沉积厚度为5~10 μ m。
[0017]第三步:在Pt层上电子束物理气相沉积NiAlHfZr层
[0018](I)准备蒸发料棒
[0019]使用高纯镍(Ni)、高纯铝(Al)、纯度为99.9%的铪(Hf)、纯度为99.9%的锆(Zr)为原料，采用电弧熔炼的方法制备N1-Al-Hf-Zr蒸发料棒，在熔炼前需将镍块表面进行打磨以保证表面无氧化膜存在。制得的料棒的化学成分为Al含量为40~55at%，Hf含量为
0.025~1.00at%, Zr含量为 0.025~1.00at%,余量为Ni。将熔炼好的合金锭利用线切割的方法切成规格为直径等于68.5mm的靶材，备用。
[0020](2 )沉积 NiAlHfZr 层
[0021]将第二步中沉积Pt层后的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，将准备好的蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；将沉积室抽真空为3X10_3Pa，预热基板至700~800°C ;控制电子束电流为1.2~1.5A，电子束电压为17~19KV，预热并蒸发料棒，调节料棒的上升速率为0.3~0.5mm/min，控制蒸发量；蒸镀时间为40~60min，沉积厚度为 20 ~60 μ m。
[0022]第四步:将沉积好的试样放入真空热处理炉中进行真空热处理
[0023]真空热处理的工艺参数为:真空度低于2X 10_2Pa，温度为1050°C，时间为2小时。真空热处理后得到本发明所述的适用于镍基单晶高温合金、1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl涂层粘结层。
[0024]本发明所制得的热障涂层粘结层材料及其制备工艺的优点:
[0025]本发明制备的Hf、Zr 二元微量活性元素掺杂的PtNiAl热障涂层粘结层材料与普通的一元活性元素改性的NiAl粘结层相比，抗高温氧化性能有所改善。在单晶高温合金基体上电镀或电子束物理气相沉积一层Pt层可以抑制涂层在高温循环氧化时表面生成的氧化膜和涂层之间界面处孔洞的形成和生长，有效的提高了氧化膜的粘附性；Hf、Zr 二元微量活性元素掺杂的PtNiAl热障涂层粘结层在1200°C循环氧化时，表面生成的氧化膜更加平整致密，尤其是氧 化增重很少，适量的Hf、Zr掺杂有效降低了 Pt改性NiAl涂层的高温氧化速率，极大的提高了涂层的抗高温氧化性能。这种新型的二元活性元素掺杂的PtNiAl涂层的抗高温氧化性能远高于普通的NiAl系涂层，经过二元活性元素Hf、Zr掺杂的Pt NiAl涂层寿命得到了显著的提高。
[0026]本发明采用了电子束物理气相沉积方法，在制备涂层时，对基体进行预加热，提高了涂层与基体的结合力；坩埚采用水冷方式，避免了高温下蒸镀材料与坩埚发生化学反应，还可以避免坩埚放气而污染膜层；电子束功率易于调节，束斑尺寸和位置易于控制，有利于精确控制膜厚和均匀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明提供的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层的截面示意图。
[0028]图2是本发明制备的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层沉积态截面形貌图。
[0029]图3是本发明制备的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层沉积态表面形貌图。
[0030]图4是本发明制备的二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层在大气环境下1200°C氧化IOOh后的表面形貌图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0032]实施例1:在N5镍基单晶高温合金基体上沉积二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl 涂层。[0033]第一步:准备基体材料
[0034]采用的基体材料是N5镍基单晶高温合金，利用线切割的方法将基体合金切成规格为10X8X3mm3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。然后将切好的基体试样依次用320#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，使基体表面粗糙度Ra〈0.8，将12条棱全部倒成圆角，最后将打磨好的基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15分钟，烘干、备用。
[0035]第二步:在基体上电镀或电子束物理气相沉积Pt层
[0036](A)如采用电镀法制备Pt层:
[0037]将第一步中准备好的基体样品表面喷砂预处理，再将样品放入50mL/L的盐酸溶液中活化处理Imin后，用去离子水冲洗4次。然后将活化处理后的样品表面电镀上一层厚度约为0.2μπι厚度适中的镍层，再用去离子水冲洗4次。
[0038]将预处理后的基体放入镀Pt液中电镀Pt层，镀Pt液的成分是:亚硝酸二氨钼(Pt (NH3)2 (NO2)2)含量为17g/L，硝酸铵(順4勵3)含量10(^/1，亚硝酸钠(NaNO2)含量为IOg/L，氨水(NH4OH)含量为50g/L，其中所用的氨水的质量百分百比浓度为25%。电镀Pt工艺参数为:电流密度为0.5A/dm2,镀液温度为90°C，电镀时间lh，镀层厚度为5μ m。
[0039](B)如采用电子束物理气相沉积法制备Pt层:
[0040]将第一步中准备好的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，用无水乙醇擦拭试样的表面；将安装有基体的旋转基板架放入电子束物理沉积设备的沉积室中，沉积室抽真空至3X 10_3Pa ;设定基板旋转速率为8rpm，逐渐升高电子束电流，用电子束加热基板到700°C;控制电子束电流为1.2A，电子束电压为17KV ;蒸镀时间为20min，沉积厚度为5 μ m。
[0041]第三步:在Pt层上电子束物理气相沉积NiAlHfZr层
[0042](I)准备蒸发料棒
[0043]使用高纯镍(Ni)、高纯铝(Al)、纯度为99.9%的铪(Hf)、纯度为99.9%的锆(Zr)为原料，采用电弧熔炼的方法制备N1-Al-Hf-Zr蒸发料棒，在熔炼前需将镍块表面进行打磨以保证表面无氧化膜存在。制得的料棒的化学成分为Al含量为40at%，Hf含量为
0.025at%, Zr含量为0.025at%,余量为Ni。将熔炼好的合金锭利用线切割的方法切成规格为直径等于68.5mm的祀材,备用。
[0044](2 )沉积 NiAlHfZr 层
[0045]将第二步中沉积Pt层后的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，将准备好的蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；将沉积室抽真空为3X10_3Pa，预热基板至700°C;控制电子束电流为1.2A，电子束电压为17KV，预热并蒸发料棒，调节料棒的上升速率为0.3mm/min,控制蒸发量；蒸镀时间为40min,沉积厚度为20 μ m。
[0046]第四步:将沉积好的试样放入真空热处理炉中进行真空热处理
[0047]真空热处理的工艺参数为:真空度低于2X10_2Pa，温度为1050°C，时间为2小时。真空热处理后得到本发明所述的二元活性元素掺杂Pt改性的双层结构Ni (Pt)Al/NiAlHfZr 涂层。
[0048]如图1和图2所示，所述双层结构Ni(Pt)AVNiAlHfZr涂层包括Pt层和NiAlHfZr层，Pt层位于NiAlHfZr层和基体之间。将上述制得的样品在1200°C下大气环境中循环氧化200h后测得增重为0.76mg/cm2,而普通的NiAlHf或者NiAlZr涂层大气中循环氧化200h后的氧化增重均大于1.0Omg/cm2，如图4，经过1200°C下大气环境中循环氧化200h后涂层表面没有出现剥落，达到完全抗氧化级。又将实施例1中制得的样品在950°C下进行了燃气热腐蚀实验，此样品的IOOh腐蚀增重为0.69mg/cm2且未出现失重现象，说明了二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层耐燃气热腐蚀性能较好。如图3，二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层沉积态表面形貌表明，涂层表面形成致密的粘结层结构。
[0049]实施例2:在IC211镍基单晶高温合金基体上沉积二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层。
[0050]第一步:准备基体材料
[0051]采用的基体合金是IC211镍基单晶高温合金，利用线切割的方法将基体合金切成规格为10X8X3mm3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。然后将切好的基体试样依次用320#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，使基体表面粗糙度Ra〈0.8，将12条棱全部倒成圆角，最后将打磨好的基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15分钟，烘干、备用。
[0052]第二步:在基体上电镀或电子束物理气相沉积Pt层
[0053](A)如采用电镀法制备Pt层:
[0054]将第一步中准备好的基体样品表面喷砂预处理，再将样品放入50mL/L的盐酸溶液中活化处理2min后，用去离子水冲洗4次。然后将活化处理后的样品表面电镀上一层厚度约为0.2 μ m的镍层，再用去离子水冲洗4次。
[0055]将预处理后的基体放入镀Pt液中电镀Pt层，镀Pt液的成分是:亚硝酸二氨钼(Pt (NH3)2 (NO2)2)含量为17g/L，硝酸铵(順4勵3)含量10(^/1，亚硝酸钠(NaNO2)含量为IOg/L，氨水(NH4OH)含量为50g/L，其中所用的氨水的质量百分比浓度为25%。电镀Pt工艺参数为:电流密度为1.0A/dm2,镀液温度为95°C，电镀时间1.5h，镀层厚度为8μ m。
[0056](B)如采用电子束物理气相沉积法制备Pt层:
[0057]将第一步中准备好的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，用无水乙醇擦拭试样的表面；将安装有基体的旋转基板架放入电子束物理沉积设备的沉积室中，沉积室抽真空至3X 10_3Pa ;设定基板旋转速率为9rpm，逐渐升高电子束电流，用电子束加热基板到750°C;控 制电子束电流为1.3A，电子束电压为18KV ;蒸镀时间为25min，沉积厚度为8 μ m。
[0058]第三步:在Pt层上电子束物理气相沉积NiAlHfZr层
[0059]( I)准备蒸发料棒
[0060]使用高纯镍(Ni)、高纯铝(Al)、纯度为99.9%的铪(Hf)、纯度为99.9%的锆(Zr)为原料，采用电弧熔炼的方法制备N1-Al-Hf-Zr蒸发料棒，在熔炼前需将镍块表面进行打磨以保证表面无氧化膜存在。制得的料棒的化学成分为Al含量为50at%，Hf含量为0.5at%, Zr含量为0.5at%，余量为Ni。将熔炼好的合金锭利用线切割的方法切成规格为直径等于68.5mm的祀材,备用。
[0061](2)沉积 NiAlHfZr 层
[0062]将第二步中沉积Pt层后的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，将准备好的蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；将沉积室抽真空为3X10_3Pa，预热基板至750°C;控制电子束电流为1.3A，电子束电压为18KV，预热并蒸发料棒，调节料棒的上升速率为0.4mm/min,控制蒸发量；蒸镀时间为50min,沉积厚度为45 μ m。
[0063]第四步:将沉积好的试样放入真空热处理炉中进行真空热处理
[0064]真空热处理的工艺参数为:真空度低于2X 10_2Pa，温度为1050°C，时间为2小时。真空热处理后得到本发明所述的适用于镍基单晶高温合金、1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl涂层。
[0065]所述双层结构Ni (Pt)AVNiAlHfZr涂层包括Pt层和NiAlHfZr层，Pt层位于NiAlHfZr层和基体之间。将上述制得的样品在1200°C下大气环境中循环氧化200h后测得增重为0.75mg/cm2,而普通的NiAlHf或者NiAlZr涂层大气中循环氧化200h后的氧化增重均大于1.0Omg/cm2，经过1200°C下大气环境中循环氧化200h后涂层表面没有出现剥落，达到完全抗氧化级。又将实施例1中制得的样品在950°C下进行了燃气热腐蚀实验，此样品的IOOh腐蚀增重为0.67mg/cm2且未出现失重现象，说明了二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层耐燃气热腐蚀性能较好。二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层沉积态表面形貌表明，涂层表面形成致密的粘结层结构。
[0066]实施例 3:在DD6镍基单晶高温合金基体上沉积二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl 涂层。
[0067]第一步:准备基体材料
[0068]采用的合金基体是DD6镍基单晶高温合金，利用线切割的方法将基体合金切成规格为10X8X3mm3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。然后将切好的基体试样依次用320#、600#、800#水磨砂纸将基体六个面全部打磨，使基体表面粗糙度Ra〈0.8，将12条棱全部倒成圆角，最后将打磨好的基体试样依次用无水乙醇和丙酮超声清洗15分钟，烘干、备用。
[0069]第二步:在基体上电镀或电子束物理气相沉积Pt层
[0070](A)如采用电镀法制备Pt层:
[0071]将第一步中准备好的基体样品表面喷砂预处理，再将样品放入50mL/L的盐酸溶液中活化处理3min后，用去离子水冲洗3次。然后将活化处理后的样品表面电镀上一层厚度约为0.2 μ m的镍层，再用去离子水冲洗3次。
[0072]将预处理后的基体放入镀Pt液中电镀Pt层，镀Pt液的成分是:亚硝酸二氨钼(Pt (NH3)2 (NO2)2)含量为17g/L，硝酸铵(順4勵3)含量10(^/1，亚硝酸钠(NaNO2)含量为IOg/L，氨水(NH4OH)含量为50g/L，其中所用的氨水的质量百分比浓度为25%，。电镀Pt工艺参数为:电流密度为2A/dm2，镀液温度为100°C，电镀时间2h，镀层厚度为10 μ m。
[0073](B)如采用电子束物理气相沉积法制备Pt层:
[0074]将第一步中准备好的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，用无水乙醇擦拭试样的表面；将安装有基体的旋转基板架放入电子束物理沉积设备的沉积室中，沉积室抽真空至3X10_3Pa ;设定基板旋转速率为lOrpm，逐渐升高电子束电流，用电子束加热基板到800°C;控制电子束电流为1.5A，电子束电压为19KV ;蒸镀时间为30min，沉积厚度为10 μ mo
[0075]第三步:在Pt层上电子束物理气相沉积NiAlHfZr层
[0076]( I)准备蒸发料棒[0077] 使用高纯镍(Ni)、高纯铝(Al)、纯度为99.9%的铪(Hf)、纯度为99.9%的锆(Zr)为原料，采用电弧熔炼的方法制备N1-Al-Hf-Zr蒸发料棒，在熔炼前需将镍块表面进行打磨以保证表面无氧化膜存在。制得的料棒的化学成分为Al含量为55at%，Hf含量为
1.00at%, Zr含量为1.00at%,余量为Ni。将熔炼好的合金锭利用线切割的方法切成规格为直径等于68.5mm的祀材,备用。
[0078](2)沉积 NiAlHfZr 层
[0079]将第二步中沉积Pt层后的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，将准备好的蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；将沉积室抽真空为3X10_3Pa，预热基板至800°C;控制电子束电流为1.5A，电子束电压为19KV，预热并蒸发料棒，调节料棒的上升速率为0.5mm/min,控制蒸发量；蒸镀时间为60min,沉积厚度为60 μ m。
[0080]第四步:将沉积好的试样放入真空热处理炉中进行真空热处理
[0081]真空热处理的工艺参数为:真空度低于2X10_2Pa，温度为1050°C，时间为2小时。真空热处理后得到本发明所述的适用于镍基单晶高温合金、1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl涂层。
[0082]将上述制得的样品在1200°C下大气环境中循环氧化200h后测得增重为0.78mg/cm2,而普通的NiAlHf或者NiAlZr涂层大气中循环氧化200h后的氧化增重均大于1.0Omg/cm2，经过1200°C下大气环境中循环氧化200h后涂层表面没有出现剥落，达到完全抗氧化级。又将实施例1中制得的样品在950°C下进行了燃气热腐蚀实验，此样品的IOOh腐蚀增重为0.71mg/cm2且未出现失重现象，说明了二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层耐燃气热腐蚀性能较好。二元微量活性元素Hf、Zr掺杂的PtNiAl涂层沉积态表面形貌表明，涂层表面形成致密的粘结层结构。
【权利要求】
1.一种1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层的制备方法，其特征在于:该制备方法包括有下列步骤， 第一步:准备基体； 所述的基体选取N5镍基单晶高温合金、IC211镍基单晶高温合金或者DD6镍基单晶高々日么么.1 ττ?.π , 第二步:在基体上电镀或电子束物理气相沉积Pt层； 第三步:在Pt层上电子束物理气相沉积NiAlHfZr层； 第四步:将沉积好的试样放入真空热处理炉中进行真空热处理，得到适用于镍基单晶高温合金、1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl涂层粘结层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:第二步中所述的采用电镀法制备Pt层，具体为: 将第一步中准备好的基体样品表面喷砂预处理，再将样品放入50mL/L的盐酸溶液中活化处理Imin~3min后，用去离子水冲洗3~4次；然后将活化处理后的样品表面电镀上一层镍层，再用去离子水冲洗3~4次； 将预处理后的基体放入镀Pt液中电镀Pt层，镀Pt液的成分是:亚硝酸二氨钼含量为17g/L,硝酸铵含量100g/L，亚硝酸钠含量为10g/L，氨水含量为50g/L ;电镀Pt工艺参数为:电流密度为0.5~2 A/dm2，镀液温度为90~100°C，电镀时间I~2h，镀层厚度为5~10 μ m0
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:第二步中所述的采用电子束物理气相沉积法制备Pt层，具体为: 将第一步中准备好的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，用无水乙醇擦拭试样的表面；将安装有基体的旋转基板架放入电子束物理沉积设备的沉积室中，沉积室抽真空至3X 10_3Pa ;设定基板旋转速率为8~lOrpm，逐渐升高电子束电流，用电子束加热基板到700~800°C ;控制电子束电流为1.2~1.5A，电子束电压为17~19KV ;蒸镀时间为20~30min,沉积厚度为5~10 μ m。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:第三步具体为， (1)准备蒸发料棒； 使用镍、铝、铪和锆为原料，采用电弧熔炼的方法制备N1-Al-Hf-Zr蒸发料棒，在熔炼前将镍块表面进行打磨以保证表面无氧化膜存在；制得的料棒的化学成分为Al含量为40~55at%, Hf含量为0.025~L 00at%, Zr含量为0.025~L 00at%,余量为Ni ;将熔炼好的合金锭利用线切割的方法切成规格为直径等于68.5mm的靶材，备用； (2)沉积NiAlHfZr 层; 将第二步中沉积Pt层后的基体试样安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上，将准备好的蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；将沉积室抽真空为3X10_3Pa，预热基板至700~800°C ;控制电子束电流为1.2~1.5A，电子束电压为17~19KV，预热并蒸发料棒，调节料棒的上升速率为0.3~0.5mm/min，控制蒸发量；蒸镀时间为40~60min，沉积厚度为 20 ~60 μ m。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:第四步中真空热处理的工艺参数为:真空度低于2X 10_2Pa，温度为1050°C，时间为2小时。
6.一种1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层，其特征在于:所述粘结层包括两层，分别为Pt层和NiAlHfZr层，Pt层的厚度为5~10 μ m, NiAlHfZr层的厚度为20~60 μ m ;在NiAlHfZr层中，Al含量为40~55at%，Hf含量为0.025~L 00at%,Zr含量为0.025~1.00at%,余量为Ni。
7.根据权利要求6所述的一种1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层，其特征在于:在NiAlHfZr层中，Hf含量和Zr含量相等。
8.根据权利要求6所述的一种1200°C完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层，其特征在于:所述粘结层表面平整致密， 粘结层表面生成的氧化膜平直，氧化增重低于 0.4lmg/cm2。
【文档编号】C22C21/00GK103966615SQ201410143806
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】郭洪波, 贾芳, 彭徽, 宫声凯, 徐惠彬 申请人:北京航空航天大学