专利名称：一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温防护涂层技术，具体地说是一种MCrAIY+AISiY复合涂层及制备 方法。
背景技术：
MCrAlY(M = Ni， Co或Ni+Co)涂层在镍基高温合金的防护上取得良好的效果，而 且成分和厚度可按要求控制，满足不同使用工况条件的要求，因此作为高温防护涂层和热 障涂层粘结底层已广泛应用于燃气轮机叶片的高温防护。相关应用的文献如①中国发明 专利，一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法，申请号01133423. 1 ;②中国发明专利，一种抗氧 化热障涂层及制备方法，申请号02133193. 6 ;③中国发明专利，一种抗热冲击热障涂层的 制备方法，申请号03133344. 3 ;④中国发明专利，一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀涂层及其制 备方法，申请号03111363. X ;等等。 多年来的研究表明，MCrAlY涂层中，Cr与Al是形成保护性氧化膜的元素，对于高 温合金及高温防护涂层部件，长时间的高温氧化、腐蚀以及涂层与基体的元素互扩散导致 Al、 Cr元素被大量消耗，从而使涂层体系失效。因此，通过提高MCrAlY涂层内Al、 Cr的含 量可以有效地延长涂层使用寿命。但过高A1、 Cr含量会导致涂层脆性增加，熔点降低，不 利于涂层部件冷热交替循环工作。采用梯度复合涂层的设计可以很好地解决这些问题。Cr 和A1梯度分布时，不会对力学性能产生很大影响。此外，梯度分布的设计还可以提高界面 结合，改善应力分布。
发明内容
为了延缓高温防护涂层的退化，延长涂层的使用寿命，本发明的目的在于提供一 种外层富A1而内层富Cr的呈梯度分布的(MCrAIY+AISiY)复合涂层及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是 —种MCrAIY+AISiY复合涂层，在常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，形成外层 富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层，该复合涂层表层Al元素浓度为18 22wt%，内层Cr元素浓度为28 45wt%。 本发明在电弧离子镀(AIP，即Arc Ion Plating)方法沉积的常规MCrAlY涂层上 沉积AlSiY涂层，随即采用真空扩散退火的方法来制备外层富Al而内层富Cr的呈梯度分 布的MCrAlY复合涂层。 所述常规MCrAlY涂层合金体系成分(即靶材合金成分)，按质量百分比为，Co : 0 40， Cr :15 40， Al :6 16， Y :0. 1 1， Si :0 2， B :0. 01 0. 03%， Ni :余量。
所述MCrAlY+AlSiY复合涂层的具体制备方法为1)电弧离子镀(AIP)制备常规 MCrAlY涂层；2)在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层；3)真空扩散退火，最终获得外 层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。 采用电弧离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层时，首先将真空室真空预抽至2X 10—3 IX 10—2pa，通入Ar气，使真空室压强升至5X 10—2 3X 10—中a ;然后对样品进行 预溅射轰击清洗，耙基距为230 250mm，脉冲偏压为-800 -IOOOV，占空比20 40%，时 间2 5min ;再沉积MCrAlY涂层，耙基距为230 250mm，弧电压20 25V，弧电流50 70A，脉冲偏压为-150 -300V,占空比20 40% ，沉积温度300 400°C ，涂层厚度为40 60 ii m。在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层时，按质量百分比计，AlSiY名义成分
(即靶材合金成分)为，Si :7 14%，Y :0 < Y《2%，A1 :余量；沉积工艺参数同沉积常规
MCrAlY涂层，沉积的AlSiY涂层厚度为7 15iim。 将上述得到的MCrAlY+AlSiY复合涂层进行真空热处理真空扩散退火，真空扩散 退火时，温度为950 105(TC，保温时间3 5h，升温速率5 8°C /min，随炉冷却至室温， 得到外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。 沉积前，需对试样进行预处理，将基材试样打磨至Ra = 0. 4 ii m，采用60 220目 空心玻璃丸湿喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精 漂洗后烘干。 本发明具有以下优点 1.涂层使用寿命更长。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，由于提高了涂层 表层Al源存储相13 -NiAl的含量，在高温氧化过程中可提供Al源支持表层氧化膜的生成 和修复，在热腐蚀过程中，可牺牲掉表层的富Al层，依靠内层的富Cr层抵抗腐蚀，从而延长 涂层的使用寿命。 2.本发明所涉及MCrAlY涂层中，Al和Cr元素具有沿深度呈外层富Al而内层富 Cr的梯度分布的特点。 3.本发明可应用于Ni基高温合金的防护。 4.采用本发明可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使 用寿命。
图1 (a)-(b)为105(TC退火前(a)和退火后(b)的(MCrAlY+AlSiY)复合涂层的截 面SEM形貌。 图2为(MCrAlY+AlSiY)复合涂层退火后截面的元素面分布图。
图3为IOO(TC退火后的(MCrAlY+AlSiY)复合涂层的截面SEM形貌。。
图4为沿图3中白线Al和Cr元素浓度分布图。
具体实施例方式
下面通过实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1 基材采用Ni基高温合金K465，其名义成分为(质量百分比)9. 75% Co，8. 75% Cr，5. 5% Al，2. 15% Ti， 1. 85% Mo， 10. 25% W， 1% Nb， Ni余量，试样尺寸为。15X1. 5mm2。 采用国产MIP-8-800型多弧离子镀设备共沉积MCrAlY+AlSiY复合涂层。MCrAlY靶材成分
如下(质量百分比计)，Co :32 ;Cr :20 ;A1 :8 ;Y :0. 5 ;Si :1 ;B :0. 03， Ni :余量。沉积前对试样进行预处理，即将基材试样打磨至Ra = 0. 4 m，采用200目空心玻璃丸湿喷砂处理， 随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精漂洗后烘干备用。采用 MIP-8-800型电弧离子镀设备沉积常规MCrAlY涂层，预抽真空至7X 10—3Pa，轰击和沉积时 通入Ar气，真空度为2X 10—屮a。对样品进行预溅射轰击清洗时，靶基距为240mm，脉冲偏 压为-800V,占空比33%，清洗时间5min ;沉积时弧电压为20V，弧电流60 65A，脉冲偏压 为-250V，占空比33%，沉积温度为35(TC，沉积时间为300min，获得的常规MCrAlY涂层厚 度约为32iim。 继续在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层，AlSiY耙材成分如下(质量百分 比计)Si :10 ;Y:1， Al :余量。沉积AlSiY涂层工艺参数同沉积常规MCrAlY涂层，获得的 AlSiY涂层厚度约为8 ii m。将MCrAlY+AlSiY复合涂层放入石英玻璃管内抽真空后充入Ar 气保护，在马弗炉中105(TC保温4h，升温速率为5°C /min，随炉冷却至室温。
扩散退火前后涂层的截面形貌如图l(a)-(b)所示。由图l(a)-(b)可知，扩散退 火后，MCrAlY+AlSiY复合涂层表层厚度约25 y m，由P -NiAl及弥散分布的o -NiCoCr和 Cr3Si组成，内层厚度约15 ii m，由富Cr相及少量P -NiAl组成。 如图2所示，由MCrAlY+AlSiY复合涂层退火后截面的元素面分布图可以看出退 火后，MCrAlY+AlSiY复合涂层形成了外层富Al、内层富Cr的梯度分布。
实施例2 与实施例1不同之处在于 基材采用定向凝固Ni基高温合金DZ 125，其名义成分为(质量百分比计)10% Co，9% Cr，7% W，5% Al，2. 5% Ti，3. 5% Ta，C微量，Ni余量。i式样尺寸为15X10X1. 5mm3。 涂层沉积参数同实施例1。将MCrAlY+AlSiY复合涂层放入石英玻璃管内抽真空后充入Ar 气保护，在马弗炉中IOO(TC保温5h，升温速率为6°C /min，随炉冷却至室温。
扩散退火前后涂层的截面形貌如图3所示，由图3可知，扩散退火后， MCrAlY+AlSiY复合涂层表层厚度约15iim，由P-NiAl和o-NiCoCr组成，Al含量约 20wt^，Cr含量约10wt%，内层厚度约22iim，由富Cr相组成，Al含量约6wt^，Cr含量约 30wt%。 图4为沿涂层截面的Al、Cr元素分布图，从中可以看出沿深度方向，A1含量具有 从高到低的梯度分布特征，Cr元素具有从低到高的梯度分布特征。 实施例结果表明，本发明通过电弧离子镀沉积加真空扩散退火的方法，制备外层 富Al、内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相 比，本发明所涉及的这种MCrAlY+AlSiY复合涂层有效地提高了涂层表层中Al存储相含量 和Si的含量，并在涂层内层形成了富Cr层，从而可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能， 并能有效地延长涂层使用寿命。该复合涂层及其制备方法可应用于Ni基高温合金的防护。
权利要求
一种MCrAlY+AlSiY复合涂层，其特征在于在常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，形成外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层，该复合涂层表层Al元素浓度为18～22wt％，内层Cr元素浓度为28～45wt％。
2. 按照权利要求1所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，包括如下 步骤1) 电弧离子镀制备常规MCrAlY涂层；2) 在常规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层；3) 真空扩散退火，最终获得外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。
3. 按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，采用电弧 离子镀技术沉积常规MCrAlY涂层时，首先将真空室真空预抽至2 X 10—3 1 X 10—2Pa，通入 Ar气，使真空室压强升至5X 10—2 3X 10—屮a ;然后对样品进行预溅射轰击清洗，耙基距为 230 250mm，脉冲偏压为-800 -IOOOV，占空比20 40% ，时间2 5min ;再沉积MCrAlY 涂层，耙基距为230 250mm，弧电压20 25V，弧电流50 70A，脉冲偏压为-150 -300V, 占空比20 40% ，沉积温度300 400°C ，涂层厚度为40 60 y m。
4. 按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，所述常规 MCrAlY涂层合金体系成分，按质量百分比计，Co :0 40%， Cr :15 40%， Al :6 16%， Y :0. 1 1%， Si :0 2%， B :0. 01 0. 03%， Ni为余量。
5. 按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于在常 规MCrAlY涂层基础上沉积AlSiY涂层时，沉积工艺参数同沉积常规MCrAlY涂层，沉积的 AlSiY涂层厚度为7 15iim。
6 按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于所述 AlSiY涂层合金体系成分，按质量百分比计，Si :7 14%， Y :0 < Y《2%，A1 :余量。
7. 按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，将得到的 MCrAlY+AlSiY复合涂层进行真空热处理真空扩散退火，真空扩散退火时，温度为950 105(TC，保温时间3 5h，随炉冷却至室温，得到外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的 MCrAlY复合涂层。
8. 按照权利要求2所述的MCrAlY+AlSiY复合涂层的制备工艺，其特征在于，沉积前需 对试样进行预处理，将基材试样打磨至Ra = 0. 4 m，采用60 220目空心玻璃丸湿喷砂处 理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮超声清洗15min，用酒精漂洗后烘干。
全文摘要
本发明涉及高温防护涂层技术，具体地说是一种MCrAlY+AlSiY复合涂层及制备方法。在常规MCrAlY涂层上沉积AlSiY涂层，再通过真空扩散退火的方法，形成外层富Al而内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层，该复合涂层表层Al元素浓度为18～22wt％，内层Cr元素浓度为28～45wt％。本发明通过电弧离子镀沉积加真空扩散退火的方法，制备外层富Al、内层富Cr的呈梯度分布的MCrAlY复合涂层。与现有的常规MCrAlY高温防护涂层相比，本发明所涉及的这种MCrAlY+AlSiY复合涂层有效地提高了涂层表层中Al存储相含量和Si的含量，并在涂层内层形成了富Cr层，从而可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并能有效地延长涂层使用寿命。该复合涂层及其制备方法可应用于Ni基高温合金的防护。
文档编号C09D1/00GK101724301SQ20081022809
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者刘山川, 姜肃猛, 孙超, 宫骏, 彭新, 徐朝政, 王启民, 鲍泽斌 申请人:中国科学院金属研究所