专利名称：具有良好耐高温氧化性的Ni合金耐热材料的制作方法
技术领域：
本发明是关于在严酷的高温气氛环境中仍具有良好的耐氧化性，适合用作燃气涡轮、涡轮增压器、喷气发动机或排气系统部件等的Ni合金耐热材料。
背景技术：
涡轮增压器、喷气发动机、燃气涡轮等暴露于高温气氛环境中的结构材料，通常使用TiAl金属间化合物、钛合金等耐热性钛合金，Ni基、Nb基、Ir基、Re基等高温合金、碳素材料以及各种金属间化合物。其中，Ni基合金以及主要含有Cr的Ni-Cr二元系合金和还含有其他元素的Ni-Cr多元系合金等Ni-Cr基合金，具有很高的高温强度和抗蠕变性能，因而被用于燃气涡轮、喷气发动机和化工设备中。
耐热材料暴露于高温气氛环境中，这些高温气氛有时会含有氧、水蒸气等氧化性和腐蚀性的成分。耐热材料暴露于腐蚀性的高温气氛环境中时，容易与气氛中的腐蚀性成分反应，发生氧化和高温腐蚀。还有的时候，由于从环境气氛中渗入耐热材料内的O、N、S、Cl、H、C等的作用，使耐热材料的表面发生内部腐蚀，导致材料的强度降低。
通过使用能很好地隔绝环境的保护涂层被覆耐热材料的表面，可以防止高温氧化和高温腐蚀(例如参见专利文献1-8)。有代表性的保护涂层是Al2O3，这种保护涂层可以采用在氧化性气氛中使Al从耐热材料的母材中扩散到表层的方法形成，或者采用CVD、喷镀、反应溅射等方法在耐热材料的表面上形成Al2O3层。Al2O3保护膜能抑制气氛中的氧化性成分与耐热材料的金属成分反应，从而保持耐热材料固有的优异的高温性能。
专利文献1日本第44484/1991号发明专利申请公开公报专利文献2日本第195188/1993号发明专利申请公开公报专利文献3日本第183373/1998号发明专利申请公开公报专利文献4日本第2000-192258号发明专利申请公开公报专利文献5日本第2001-81577号发明专利申请公开公报专利文献6日本第2001-192887号发明专利申请公开公报专利文献7日本第2001-295076号发明专利申请公开公报专利文献8日本第2001-355081号发明专利申请公开公报发明内容Al由耐热材料的母材中扩散到表层，形成Al2O3保护膜时，耐热材料表面的Al被用来形成保护膜而消耗掉，因此，在紧靠Al2O3保护膜下面的耐热材料表层形成了Al浓度低下的层(Al欠缺层)。
Al欠缺层不能作为形成Al2O3被覆所需要的Al源，因此，当耐热材料表面的Al2O3保护膜发生龟裂、剥离等缺陷时，无法由母材中供给足够量的Al，以缺陷部位为起点，腐蚀和氧化快速发展，扩展到整个表层。
为了能够长期保持Al2O3保护膜的隔绝环境的作用，考虑到由于生成Al欠缺层而引起的耐热材料表层的Al浓度降低，应当预先将耐热材料的Al含量设定成比较高。
但是，随着Al含量的增加，耐热材料变脆，难以进行锻造和成形加工等。取决于耐热材料的种类，有时候，当Al含量增加时，高温强度降低。
还有人曾经探讨过，通过在Ni合金上设置由ZrO2表面涂层和MCrAlY涂层构成的多层绝热性保护膜，保护耐热材料免受高温腐蚀。但是，ZrO2保护膜具有容易透过氧的性质，致使底涂层的表面容易氧化。在表面涂层/底涂层的界面上形成的氧化物主要成分是Al2O3，当界面氧化物长成较厚时，ZrO2表面涂层剥离，绝热性保护膜的功能受到损害。另外，如果底涂层中的Al扩散到基体材料中，绝热性保护膜的隔绝环境的功能也会劣化。Al向基体材料中的扩散，容易破坏有利于高温强度的γ+γ’相，生成显著降低强度的TCP相(topological closed packed phase)，因而是有害的。
本发明人发现，通过介存αCr相的内层作为扩散阻挡层并且形成Al浓度高的外层，可以确保外层中具有自动修复在使用条件下受到损伤的Al2O3保护膜的缺陷部位所需要的高Al浓度，长期保持Ni合金所固有的优异的高温性能。
即，本发明是具有良好的耐高温氧化性的Ni合金耐热材料，该合金是经过Al扩散处理的Ni合金基体材料，其特征在于，在该基体材料的表面上形成了具有由αCr相构成的内层和由β相(Ni-Al-Cr)和γ’相(Ni3Al(Cr))构成的外层的多层结构的表面层，外层的Al浓度是20原子％以上。
另外，本发明是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，Ni合金基体材料是由形成了含Cr层的Ni合金基体材料构成。
另外，本发明是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，含Cr层是由Cr含量在20原子％以上的Ni-Cr基合金构成。
另外，本发明是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，在含Cr层上形成了Ni层或Ni-Al层。
另外，本发明是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，Ni合金基体材料是由Ni基耐热合金、Ni基高温合金构成。
另外，本发明是上述的Ni合金耐热材料，其特征在于，Ni合金基体材料是由Cr含量在20原子％以上的Ni-Cr基合金构成。
本发明的Ni合金耐热材料，在由Ni合金构成的基体材料的表面上形成多层结构的表面层。所述的表面层，在制膜时外层是NiAl3(+Ni2Al3)，内层由含有Cr、Ni及合金成分的高铝合金相构成(参见图3)。在高温下加热时，外层转变成β相(Ni-Al-Cr)，再转变成γ’相(Ni3Al(Cr))，此时，作为内层形成了αCr相并保持住。另一方面，当外层进一步转变成γ相(Ni(Cr，Al))时，αCr相消失。这与图1的Ni-Cr-Al系相图是一致的。
多层结构的表面层，其内层由起到扩散阻挡层作用的αCr相构成。αCr相是通过对主要含有Cr的Ni-Cr二元系合金及还含有其他元素的Ni-Cr多元系合金等含Cr的Ni-Cr基合金基体材料或形成含Cr层的Ni合金基体材料或者在含Cr层进一步形成Ni层或Ni-Cr层的基体材料进行Al扩散处理，在形成Al浓度高的外层的同时形成的。
Al扩散处理最好是按以下所述分二个阶段进行。首先，在750～800℃的较低温度下进行高活度的Al扩散处理。在处理过程中，外层形成NiAl3(+Ni2Al3)，外层与基体材料之间形成由Cr、Ni、Al构成的中间层。有的时候，中间层中也含有基体材料中所含的元素。接下来，在850℃以上的高温下进行热处理。经过这一热处理，内层形成αCr相，外层形成β相(Ni-Al-Cr)。由αCr相构成的内层和由β相构成的外层的形成，是在高温下自然进行的，因而，在高温下使用的场合，可以省略加热处理。
本发明的Ni合金耐热材料的多层结构，在此后的热处理或在高温下工作的过程中，NiAl3(+Ni2Al3)转变成β相，中间层是不稳定的，转变成由αCr相构成的内层。由该αCr相构成的层起到扩散阻挡层的作用。αCr相的Al固溶度比较低，扩散系数小。
在高温下与液相Al共存的化合物，对于Ni-Al系合金是NiAl3，对于Cr-Al系合金是Cr5Al8，这可以由Ni-Cr-Al三元相图(图1)看出。也有的时候，由于扩散的原因而变成以Ni2Al3为主体。
因此，使Al扩散到Ni层(镀层)中时，从Ni层的表面按照γNi(Al)→γ’Ni3Al→βNiAl→Ni2Al3→NiAl3的顺序变化。
将经过Al扩散处理的Ni合金加热至750℃以上的高温。加热气氛可以是惰性气体或大气等任一种。加热至750℃以上的温度时，Al向基体材料一侧扩散，Ni向外层一侧扩散。Cr也有一部分向外层一侧扩散。一般地说，Cr的扩散比Al和Ni的扩散要慢，因而发生了Ni向外层一侧的扩散和Al向内层一侧的扩散。即，外层由NiAl3(+Ni2Al3)相转变成固溶Cr的β相(Ni-Al-Cr)。另一方面，Al从基体材料的表面扩散渗入内部，基体材料表面的Al浓度达到γ-Ni(Cr)相的Al的饱和浓度。
当β相(Ni-Al-Cr)的Cr浓度达到饱和浓度(约10原子％)以上时，Cr形成α-Cr相析出。即，在Ni-Cr-Al系相图中，β相(Ni-Al-Cr)将α-Cr相和连线(tie line)连接起来，另外，αCr将γ相(Ni(Cr，Al))和连线连接起来。即，在β相与γ相之间必定存在αCr相。
在形成了内层和外层的Ni合金耐热材料中，沿着表层部的厚度方向各元素具有图2中所示的浓度分布。在基体材料一侧中，检测出生成内层以前的Al扩散，内层的Al浓度极低。将Ni合金耐热材料在高温的氧化性气氛中长时间保持时，Ni从基体材料中向外层扩散，因而在基体材料的表面Cr的浓度增加，由αCr相构成的内层的厚度增大。
因此，内层保持较低的Al浓度，外层保持25原子％以上的Al浓度。图2的浓度分布，是内层的αCr相成为扩散阻挡层、抑制基体材料成分向外层扩散和抑制Al由外层向基体材料中扩散的结果。随着时间的延长，外层由β相转变成γ’相，进而转变成γ相。根据推断，在由γ’相转变成γ相的过程中，αCr相消失。
由于内层起到扩散阻挡层作用，外层的基体材料成分不会稀释，保持高的Al浓度。因此，对于具有保护作用的Al2O3保护膜起到Al供给源的作用，即使在使用条件下Al2O3保护膜受到损伤，也可以生成Al2O3，自动修复保护膜的缺陷部位。顺便说一下，自动修复具有保护作用的Al2O3膜层所必需的基体材料表层的临界Al浓度，根据基体材料合金的种类而改变，对于Ni-Al合金是大约20原子％，对于Ni-Cr-Al合金是大约10原子％，利用起到扩散阻挡层作用的内层，使外层的Al浓度充分保持在临界Al浓度以上。
这样，形成了表面层的Ni合金耐热材料高温腐蚀和异常氧化受到抑制，保持了Ni基耐热合金和Ni基高温合金固有的优异的高温性能。另外，充分满足了为了高的输出功率而提高工作温度的燃气涡轮、喷气发动机等的高温用部件所要求的性能。
图1是Ni-Cr-Al三元相图。图2是表示在实施例1中刚进行了Al扩散处理后的Ni合金耐热材料的表层的各元素沿厚度方向的浓度分布的曲线图。图3是表示在实施例1中、在大气中1100℃下加热16小时后的Ni合金耐热材料的表层中的各元素沿厚度方向的浓度分布的曲线图。图4是在实施例1中形成了αCr相的内层的表层部的断面的附图代用显微镜组织照片。图5是表示在实施例1中，在大气中1100℃下加热169小时后的Ni合金耐热材料的表层中的各元素沿厚度方向的浓度分布的曲线图。图6是在实施例1中，在大气中1100℃下加热169小时后的Ni合金耐热材料的表层部断面上观察αCr相内层的附图代用显微镜组织照片。
优选实施方式用于基体材料的Ni合金耐热材料有Ni基耐热合金、Ni基高温合金、电热丝材料等使用的Ni-20原子％Cr合金以及其他的Ni-Cr基合金等。优选的是，形成可以有效阻挡扩散的内层，并且至少将基体材料表层部的Cr含量提高到20原子％以上。但是，αCr相的寿命依赖于温度和时间，Cr含量越高的合金，越能够在高温下长时间地形成和保持αCr相，因此，在1000℃以上的高温下使用的部件，最好是Cr含量在35原子％以上。
作为基体材料，使用Cr含量20原子％以上的Ni-Cr基合金，或者预先在Ni合金的表面上形成含Cr层，将基体材料表层的Cr浓度保持在20原子％以上，优选的是保持在35原子％以上。含Cr层的形成可以采用固体渗(pack cementation)、电镀、喷镀、PVD、CVD、溅射等方法。
另外，根据含有Cr以外的合金元素的多元系Ni-Cr基合金，例如Ni-4Cr-1W合金的结果，其保护膜的结构与Ni-40Cr合金是相同的，W固溶于αCr相中(在1100℃下加热固溶量为3原子％)。据推断，这是由于固溶于αCr相中的Al浓度从Ni-40Cr合金的0.3原子％降低到Ni-4Cr-1W合金的0.1原子％，进一步降低了铝的扩散能力。
在固体渗时，基体材料上形成了渗透Cr的含Cr层。优选的是采用电镀、喷镀、PVD、CVD、溅射等方法形成含Cr层，在随后的热处理中，使Cr由含Cr层中扩散到基体材料中。
在提高了表层部的Cr浓度的场合，最好是采用电镀、喷镀、PVD、CVD、溅射等方法在其上面形成Ni层。如果代替Ni层形成Ni-Cr层，则可以省略在基体材料表面上设置含Cr层的工序。另外，如果形成Ni-Al层，还可以省略后续的Al扩散处理中的Al层形成。为了形成必要厚度的外层，Ni层、Ni-Cr层、Ni-Al层等中的Ni附着量应设置为100-200g/m2的比例。
随后，采用将基体材料埋置在Al粉末、NH4Cl粉末和Al2O3粉末按15∶2∶83(重量比)形成的粉末混合物中的方法，或者采用形成Al或Ni-Al镀膜后热处理的方法，在Al活度高的条件下进行Al扩散处理。Al扩散处理采用固体渗Al或者对使用熔融盐浴或非水镀液的电镀以及PVD、CVD、溅射等形成的Al层进行热处理的方法进行。
固体渗Al时，将Ni合金基体材料埋置在Al、NH4Cl和Al2O3的粉末混合物中，在真空、惰性气体或氢气等非氧化性气氛中于800-1000℃下加热1-10小时，使Al渗入Ni层或Ni-Cr层中。在同样的条件下对使用熔融盐浴或非水镀液的电镀或者通过PVD、CVD、溅射等形成的Al层进行热处理时，Al由Al层中扩散到Ni层或Ni-Cr层内。
将经过Al扩散处理的Ni合金在850℃以上的高温氧化性气氛中保持时，Al向基体材料一侧扩散，与此同时，Ni由基体材料向外层扩散，外层的NiAl3(+Ni2Al3)相转变成β相(Ni-Al-Cr)。同时，作为内层形成了αCr相。形成内层后，Al由外层向基体材料中的扩散受到抑制，外层中的Al浓度保持在20原子％以上。αCr相内层与外层之间没有形成均质层，保持了作为扩散阻挡层的作用。
对于内层的厚度没有特别的限制，不过，由于阻挡扩散的能力与该层的厚度的二次方成正比，因此内层的厚度厚一些为好。另外，为了使由αCr相构成的内层形成连续层，必须达到3μm以上的厚度。为了具有保护作用，外层的Al浓度应在25原子％以上，其厚度越厚越好，优选的是20μm以上。Al浓度和厚度可以通过Al扩散处理进行调整。
实施例1使用含有40原子％Cr的Ni-Cr合金作为基体材料，将该Ni-Cr合金放入含有NiSO41.25mol/l、NiCl20.19mol/l和HBO30.65mol/l的镀Ni水溶液中浸渍，在5.5mA/cm2的电流密度下电镀3.5小时，使Ni-Cr合金的表面上形成膜厚18～20μm的Ni层。然后，将Ni-Cr合金基板埋置在Al∶NH4Cl∶Al2O3＝15∶2∶83(质量比)的粉末混合物中，在惰性气体(氩)气氛中于800℃下加热2小时，进行扩散处理。
测定经过Al扩散处理的基体材料表层中所含的元素在厚度方向上的浓度分布。如同图2的测定结果所示，Cr的浓度由基体材料的表面向表层部的表面逐渐降低，Ni的浓度从基体材料一侧到Al扩散层的中间逐渐增高，然后一直到表层部的表面保持恒定的浓度。与Al扩散层的表面一侧相比，在内部一侧Al的浓度升高。
将经过Al扩散处理的Ni-Cr合金在大气中1100℃下加热16小时，从基体材料一侧起各元素的浓度分布变成图3中所示的样子。将图3与图2对比可以看出，在高温加热处理后，Al在厚度方向上的浓度分布出现不连续的部分，在Cr浓度高的区域中基本上不含有Al。
通过显微镜观察经过Al扩散处理的Ni-Cr合金的表层断面，可以了解在厚度方向上不连续的Al浓度分布。即，在放大300倍的视野内观察到的组织照片(图4)中，基体材料2与外层1之间形成了内层3，基体材料2/内层3/外层1的边界清晰可见。内层3的平均厚度是20μm，根据EPMA的分析结果，内层3是由αCr相组成。外层1的平均厚度是80μm，Al浓度是大约37原子％，由β相(Ni-Al-Cr)构成。
形成了αCr相的内层3的Ni-Cr合金，即使在高温下长时间加热，各元素在厚度方向上的浓度分布也不会发生实质性的变化。例如，观察在同样的条件下加热169小时后的厚度方向上的浓度分布时，Al在厚度方向上的浓度分布(图5)依然存在不连续的部分，在不连续的部分中观察到αCr相的内层3(图6)。外层1的Al浓度是大约30原子％，作为形成具有保护作用的Al2O3保护膜的Al源，确保足够的浓度。
产业上的应用如上所述，本发明的Ni合金耐热材料，在Ni合金的表面上形成了具有αCr相的内层以及β相(Ni-Al-Cr)和γ’相(Ni3Al(Cr))的外层的多层结构的表面层。内层起到扩散阻挡层的作用，防止基体材料成分从基体材料向外层扩散，并且防止Al从外层向基体材料扩散，因此，不会由于基体材料成分的扩散使外层被稀释，确保外层中具有形成保护作用的Al2O3保护膜所需要的Al浓度。因此，在使用条件下Al2O3保护膜受到损伤的情况下，也可以利用由外层补给的Al自动修复保护膜的缺陷部位。
因此，高温腐蚀和异常氧化受到抑制，可以长时间保持Ni合金所固有的优异的高温性能，提供适合用于燃气涡轮、喷气发动机、排气部件等高温用途的材料。
权利要求
1.具有良好的耐高温氧化性的Ni合金耐热材料，其特征在于，该合金是经过Al扩散处理的Ni合金基体材料，在该基体材料的表面上形成了具有由αCr相构成的内层以及由β相(Ni-Al-Cr)和γ’相(Ni3Al(Cr))构成的外层的多层结构的表面层，外层的Al浓度是20原子％以上。
2.如权利要求1所述的Ni合金耐热材料，其特征在于，所述的Ni合金基体材料是由形成了含Cr层的Ni合金基体材料构成。
3.如权利要求2所述的Ni合金耐热材料，其特征在于，所述的含Cr层是由Cr含量为20原子％以上的Ni-Cr基合金构成。
4.如权利要求2或3所述的Ni合金耐热材料，其特征在于，在含Cr层上形成了Ni层或Ni-Al层。
5.如权利要求1所述的Ni合金耐热材料，其特征在于，所述的Ni合金基体材料是由Ni基耐热合金、Ni基高温合金构成。
6.如权利要求1所述的Ni合金耐热材料，其特征在于，所述的Ni合金基体材料是由Cr含量为20原子％以上的Ni-Cr基合金构成。
全文摘要
本发明提供了能抑制高温腐蚀和异常氧化，长期保持Ni合金所固有的优异的高温性能，适合用于燃气涡轮、喷气发动机、排气部件等高温用途的材料。本发明的材料是具有良好耐高温氧化性的Ni合金耐热材料，该材料是经过Al扩散处理的Ni合金基体材料，在该基体材料的表面上形成了具有由αCr相构成的内层以及由β相(Ni－Al－Cr)和γ’相(Ni
文档编号C23C28/02GK1639388SQ0380442
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月5日 优先权日2002年3月5日
发明者成田敏夫, 吉田大助 申请人:独立行政法人科学技术振兴机构