一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于表面合金化及涂层技术领域，涉及一种含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂 层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属合金部件的表面防护涂层在高温环境中服役时，基体合金与涂层的元素成分 差异会不可避免地造成基体与涂层元素的互扩散问题，从而降低涂层使用寿命。例如在燃 机发动机叶片表面施加的MCrAlY合金涂层可有效提高基体抗氧化能力，但合金涂层中的 Al元素向基体合金的扩散及高温合金基体中有益元素的外扩散降低了合金表面氧化膜的 稳定性；在熔盐反应堆环境中化学稳定性高的Ni防护涂层配合基体合金长期服役时，基体 中的元素如活性元素 Cr的外扩散造成基体在熔盐中的快速溶解，从而丧失了 Ni涂层对基 体应有的有效防护。
[0003] 鉴于互扩散是影响表面防护涂层服役寿命的关键因素，有必要在涂层和基体之间 引入扩散阻挡层，通过阻止合金元素的扩散而确保保护涂层成分与结构的长期稳定性。"氧 化物扩散障/金属耐蚀层"复合涂层体系的设计在高温涂层领域已有研究应用，由于合金元 素在氧化物陶瓷中的扩散系数远小于其在金属中的数值，Al 2O3扩散障可有效抑制涂层与合 金之间的元素互扩散。氧化物陶瓷扩散障的现有制备工艺主要包括磁控溅射、多弧离子镀 等物理气相沉积方法（PVD)和预氧化热生长方法。其中PVD要求设备真空、成本高昂，制备 的扩散阻挡层与基体间为物理结合，常因热膨胀系数不匹配存在结合力差、易脱落的问题。
[0004] 与PVD相比，热生长方法所需设备简单，价格低廉；氧化物涂层与基体之间的化学 结合能显著提高氧化物与基体粘附性；可通过控制反应条件对氧化物涂层进行成分厚度调 控。在以往的研究工作中，热生长制备氧化物扩散障所需的氧通常由另一种金属氧化物提 供，例如通过在合金表面沉积氧化锆或镍铬氧化物层，利用该化合物中的晶格氧为氧化铝 扩散障的生成提供所必须的氧，然而氧活性较低，很难通过空位等缺陷运动进行扩散。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种含氧化铝扩散障的高温 耐蚀涂层及其制备方法，该高温耐蚀涂层及其制备方法利用热处理工艺采用原位生长的方 法生长Al 2O3扩散障层，制备方法简单，结合性力强，成本低，另外利用Ni (0)固溶体层作为 氧化铝生成的氧来源，与氧化物中以化合态形式存在的〇不同，Ni (0)固溶体中的氧活性更 高，更容易通过空位等缺陷运动进行扩散。
[0006] 为达到上述目的，本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层从下到上依次由 含铝或表面层含铝的基体、第一 Al2O3扩散障层、Ni (0)层及耐蚀合金层组成。
[0007] 所述Ni (0)层与耐蚀合金层之间设有第二Al2O3扩散障层。
[0008] 本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法包括以下步骤：
[0009] 制备Ni (0)固溶体粉末，在含铝基体表面以Ni (0)固溶体粉末为原料采用冷喷涂 技术沉积Ni (O)层，然后在Ni (O)层表面沉积耐蚀合金层，再进行热处理，使含铝基体中的 Al与Ni (0)层中的氧发生反应，并在富Al层与Ni (0)层界面原位生长第一 Al2O3扩散障 层，同时当耐蚀合金层为含Al合金时，耐蚀合金层中的Al与Ni(O)层的氧发生反应，并在 Ni(O)层与耐蚀合金层界面形成第二Al2O3扩散障层。
[0010] 当采用的基体合金Al含量低于3wt. %时，则在基体表面预制富Al层。
[0011] 所述预制富铝层通过冷喷涂或热扩散的方法获得，预制富铝层的厚度为10-100 微米，预制富铝层中的Al含量为5-lOOwt. %。
[0012] 通过对金属Ni粉进行机械合金化制备Ni (0)固溶体粉末，用于冷喷涂制备Ni (0) 层采用的金属Ni粉的粒径为10-100微米。
[0013] Ni (0)层的厚度为10-100微米。
[0014] 耐蚀合金层的厚度为50_800微米，耐蚀合金层包括41、0、？6、附、(：〇、了&、￥中的 一种或多种。
[0015] 热处理过程中的温度为700-1000°C，并且热处理的过程中真空或者惰性气体的保 护下进行。
[0016] 在基体表面沉积涂层之前还包括：将基体依次经丙酮超声除油、无水乙醇清洗后 吹干。
[0017] 本发明具有以下有益效果：
[0018] 本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层及其制备方法在具体操作时，采用 冷喷涂技术将高含氧量的Ni(O)固溶体粉末完好地保留在Ni(O)涂层中，然后利用Ni(O) 层作为氧化铝生成的氧来源，与氧化物中以化合态形式存在的〇不同，Ni (0)固溶体中的氧 活性更高，更容易通过空位等缺陷运动进行扩散，从而为Al2O3扩散障层的原位连续生长提 供氧源，通过采用本发明制备的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层中Al 2O3扩散障层的结合 性力强，成本低，并且制备方法简单。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的流程图；
[0020] 图2 (a)为本发明的实施例一中原始Ni粉的表面形貌图；
[0021] 图2(b)为本发明的实施例一中Ni (0)固溶体粉末的表面形貌图；
[0022] 图3(a)为本发明的实施例一中冷喷涂富铝层、Ni (0)层和Ni耐蚀外层后的复合 涂层截面形貌图；
[0023] 图3(b)为本发明的实施例一图3(a)中复合涂层的元素分布图；
[0024] 图4(a)为本发明的实施例一中Al2O3扩散障层的形貌图；
[0025] 图4(b)为图4(a)中A处的放大图；
[0026] 图5 (a)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Co的能谱EDS元素分布曲线；
[0027] 图5 (b)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Ni的能谱EDS元素分布曲线；
[0028] 图5 (c)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Al的能谱EDS元素分布曲线；
[0029] 图5⑷为本发明实施例一中Al2O3扩散障中Cr的能谱EDS元素分布曲线；
[0030] 图5 (e)为本发明实施例一中Al2O3扩散障中0的能谱EDS元素分布曲线；
[0031] 图6 (a)为实施例二中基体/涂层界面处Al2O3扩散障层的形貌图；
[0032] 图6 (b)为图6 (a)中B处的放大图；
[0033] 图7 (a)为实施例三种基体/涂层界面处Al2O3扩散障层的形貌图；
[0034] 图7(b)为图7(a)中C处的放大图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0036] 本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层从下到上依次由含铝或表面层含 铝的基体、第一 Al2O3扩散障层、Ni (0)层及耐蚀合金层组成。
[0037] 所述Ni (0)层与耐蚀合金层之间设有第二Al2O3扩散障层。
[0038] 本发明所述的含氧化铝扩散障的高温耐蚀涂层的制备方法包括以下步骤：
[0039] 制备Ni (0)固溶体粉末，在含铝基体表面以Ni (0)固溶体粉末为原料采用冷喷涂 技术沉积Ni(O)层，然后在Ni(O)层表面沉积耐蚀合金层，再进行热处理，使含铝基体中的 Al与Ni (0)层中的氧发生反应，并在富Al层与Ni (0)层界面原位生长第一 Al2O3扩散障 层，同时当耐蚀合金层为含Al合金时，耐蚀合金层中的Al与Ni(O)层的氧发生反应，并在 Ni(O)层与耐蚀合金层界面形成第二Al2O3扩散障层。
[0040] 其中，Ni (0)固溶体粉末也可以采用商业化的金属Ni (0)粉末。
[0041] 当采用的基体合金Al含量低于3wt. %时，则在基体表面预制富Al层。
[0042] 所述预制富铝层通过冷喷涂或热扩散的方法获得，预制富铝层的厚度为10-100 微米，预制富铝层中的Al含量为5-lOOwt. %。
[0043] 通过对金属Ni粉进行机械合金化制备Ni (0)固溶体粉末，采用的金属Ni粉的粒 径为10-100微米。
[0044] Ni (0)层的厚度为10-100微米。
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