采用低压等离子喷涂制备Al-Si-Cr涂层的方法

专利名称：采用低压等离子喷涂制备Al-Si-Cr涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种涂层的制备方法，更特别地说，是指一种采用低压(30~ 4Oxl0Va)等离子喷涂方法在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体上制备出具有高温(1000 1250°C)抗氧化性能的A1-Si-Cr涂层。 背《& *航空航天技术的高度发展，要求发动机具有更高的推重比及工作效率，这便要求 发动机具有更高的工作温度。研制替代现有镍基超合金作为未来飞行器发动机超高温 部件的材料势在必行。Nbss/NbsSi3原位复合材料具有高熔点(>1700°C)、高刚度、 低密度(7.1 8.4g/c^)以及极高的高温强度，近年来备受关注。Nb基固溶体(Nbss) 具有良好的室温韧性。NbsSig与Nbss两相通过恰当组合，可获得强韧性配合优异的 超高温材料。伹是铌基合金的抗氧化能力极差，60(TC以上发生严重氧化，使得它在 热环境中的应用受到了限制。因此发展高温防护涂层技术成为铌及其合金应用的主要 研究方向。Al、 Cr、 Si三种元素具有优越的高温抗氧化作用，它们的氧化物八1203、 Si02 和<^203能够阻挡氧的扩散，阻止氧化的进一步进行。Al、 Cr、 Si经化合形成许多化合物，这些化合物都具有很好的高温抗氧化性能，伹部分化合物受其熔点的影响， 限制了其高温应用。Cr(Al, Si)2抗氧化性好，熔点高(>1250°C)。因而具有很高的高温抗氧化应用价值。 发明内容本发明的目的是提出一种采用低压等离子喷涂制备Al-Si-Cr涂层的方法，通过 在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体上制备出Al-Si-Cr涂层，使得基体与涂层之间 形成了一厚度为5 15/^互扩散层，互扩散层中的含有Nb、 Al、 Si、 Ti、 Cr元素; Al-Si-Cr混合涂层中存在有Cr(Al， Si)2、 Si和Al等物质，在高温1000~ 1250^
氧化时能够形成连续、致密的Al203和Si02混合氧化物层，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，改善了 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体的抗高温氧化性能。本发明是 一 种采用低压30 40 xl(f戸等离子喷涂工艺在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体上制备有Al-Si-Cr涂层的方法,其有下列制备步骤 第一步基体的前处理将Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体采用150弁、360弁、500弁水磨砂纸磨光， 并釆用喷砂机进行表面喷砂处理后待用，喷砂后基体表面粗糙度RZ=60~80//m ; 第二步配制涂层材料(A) 称取30 35wt。/。的Al粉、30 33wt。/o的Cr粉、32 40wt。/。的Si粉， 并且上述各成分的含量之和为100%,混合后经研磨30 150min后制得粒度为 250 350目的第一混合粉末；(B) 将经(A)步骤制得的第一混合粉末与粘结剂混合后经研磨250 400min 后制得粒度为250 350目的第二混合粉末；第一混合粉末与粘结剂的用量为1000g的第一混合粉末中放入1000 1500m/的粘结剂；所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子7jC在80 10(TC中搅拌均匀制得，阿拉伯树 胶与去离子水的用量为每100m/去离子水中添加0.5 5g阿拉伯树胶；(C) 将经(B)步骤制得的第二混合粉末经雾化干燥造粒后制得粒度为200~ 250目的涂层材料；雾化干燥采用离心雾化方法，所述第二混合粉末经恒流泵注入雾化器并立即被雾 化器的剪切力分散成很多细小液滴，其中雾化器转速为8000 20000r/min,雾化 器进口温度为220 230。C,雾化器出口温度为130 150°C;第三步低压等离子喷涂制涂层将经第一步处理后的基体安装在低压等离子喷涂设备的夹具上，并将经第二步配 制的涂层材料放入送料器中，调节喷涂工艺参数制Al-Si-Cr涂层；等离子喷涂参数罐内压力30 40xl03;^，主气流量为60 100￡"，次气 流量为25~30丄/力，电流为560 600J,电压为50 60F，送粉器的送粉量为 20 22g/min。
本发明Al-Si-Cr涂层通过釆用低压等离子喷涂工艺制备在 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体上，使得基体与涂层之间形成有互扩散层，提高了 基体与涂层之间的结合力；Al-Si-Cr涂层在高温1000 1250。C氧化时能够形成连 续、致密的Al203和Si02混合氧化物层，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化；同 时，互扩散层的厚度增加了 50~100//m，改善了 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基 体的抗高温氧化性能；经1000 1250。C高温氧化100/2后，制备有涂层的基体表 面单位面积增重为5.6~16.8wg/cm2。


图1是在基体上制得A1-Si-Cr涂层的断面结构示意图。图2是氧化后的Al-Si-Cr涂层的断面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明是一种采用低压30~40)<103;7"等离子喷涂工艺制备的抗高温氧化 Al-Si-Cr涂层，所述A1-Si-Cr涂层由Al-Si-Cr混合层和互扩散层组成，互扩散层在 Al-Si-Cr混合层与Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体之间，互扩散层厚度为5~ 15 pm 。 Al-Si-Cr混合层由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相组成。互扩散层中含有Nb、 Ti、 Si、 Al和Cr元素。Al-Si-Cr混合层由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相组成。互扩散 层中含有Nb、 Ti、 Si、 Al和Cr元素。本发明是一种釆用低压30 40x 103戸等离子喷涂制备Al-Si-Cr涂层的方法， 该涂层制备方法有下列步骤第一步基体的前处理将Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体釆用150弁、360#、 500弁水磨砂纸磨光， 并采用喷砂机进行表面喷砂处理后待用，喷砂后基体表面粗糙度RZ=60 80//m ; 第二步配制涂层材料(A) 称取30 35wt。/。的Al粉、30 33wt。/。的Cr粉、32 40wt。/。的Si粉， 并且上述各成分的含量之和为100%,混合后经研磨30 150min后制得粒度为 250 350目的第一混合粉末；(B) 将经(A)步骤制得的第一混合粉末与粘结剂混合后经研磨250 400min 后制得粒度为250 350目的第二混合粉末；
第一混合粉末与粘结剂的用量为lOOOg的第一混合粉末中放入1000~ 1500/ /的粘结剂；所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在so iocrc中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每100m/去离子水中添加0.5 5g阿拉伯树胶；(C)将经(B)步骤制得的第二混合粉末经雾化干燥造粒后制得粒度为200 250目的涂层材料；雾化干燥釆用离心雾化方法,第二混合粉末经恒流泵注入雾化器并立即被雾化器 的剪切力分散成很多细小液滴(粒径40 80戶)，其中雾化器转速为8000~ 20000Wmin，雾化器进口温度为220 230°C,雾化器出口温度为130 150°C;
第三步低压等离子喷涂制涂层
将经第一步处理后的基体安装在低压等离子喷涂设备的夹具上，并将经第二步配 制的涂层材料放入送料器中，调节喷涂工艺参数制A1-Si-Cr涂层；等离子喷涂参数罐内压力30 40x103/^，主气流量为60~100Z//i，次气 流量为25 30丄M，电流为560 600乂，电压为50~60F ，送粉器的送粉量为 20 22g/min。将上述方法制备的Al-Si-Cr涂层经XRD、SEM分析表明，该混合涂层由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相组成，而且制备后的混合涂层与基体之间形成了一层大约5~ 15//m 的互扩散层。将釆用上述方法制备有Al-Si-Cr涂层的基体在高温1000 1250°C、 100A以 内氧化后在Al-Si-Cr混合层上形成含有A1203和Si02的混合氧化物层，进而阻止了 氧向基体的扩散；同时，互扩散层的厚度增加了 50~ 100//m ;单位面积增重为5.6 16.8mg/cw2 。 实施例 1 :
第一步基体的前处理
将Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体切割成长13，宽8，高3wwz的长 方形试样，并釆用150#、 360#、 500#7夂磨砂纸磨光后，采用喷砂机进行表面喷砂 处理后待用，喷砂后基体表面粗糙度RZ=60~80//w;
第二步配制涂层材料(A) 称取33.3wt。/。的Al粉、32.1wt。/。的Cr粉、34.6wt。/。的Si粉混合后经 研磨100min后制得粒度为250 350目的第一混合粉末；(B) 将经(A)步骤制得的第一混合粉末与粘结剂混合后经研磨300min后制 得粒度为250~350目的第二混合粉末；第一混合粉末与粘结剂的用量为lOOOg的第一混合粉末中放入IOOOW的粘结剂；所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在IO(TC中搅拌均匀制得,阿拉伯树胶与去 离子水的用量为每lOOm/去离子水中添加lg阿拉伯树胶；(C) 将经(B)步骤制得的第二混合粉末经雾化干燥造粒后制得粒度为200 250目的涂层材料；雾化干燥釆用离心雾化方法，第二混合粉末经恒流泵注入雾化器并立即被雾化器 的剪切力分散成很多细小液滴(粒径60 80戶)，其中雾化器转速为15000r/min ， 雾化器进口温度为225"C，雾化器出口温度为14CTC;第三步低压等离子喷涂制涂层将经第一步处理后的基体安装在低压等离子喷涂设备的夹具上，并将经第二步配 制的涂层材料放入送料器中，调节喷涂工艺参数制Al-Si-Cr涂层；等离子喷涂参数:罐内压力30><103戸，主气流量为60丄//7，次气流量为25￡//|， 电流为580爿，电压为55r ，送粉器的送粉量为21 g/min 。将上述制得的Al-Si-Cr涂层经SEM分析表明，制备的涂层主要由两层组成 外层为A1-Si-Cr混合层，该混合层中Cr(Si, Al)2、 Al、 Si三相组成；内层为涂层与 基体之间的互扩散层，厚度大约为该层由Nb、 Ti、 Si、 Al、 Cr组成，其断面结构示意如图1所示。将Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体在大气气氛中，经过1250。C等温氧化 100/2时，基体表面单位面积增重为213mg/cm2。将制得有Al-Si-Cr涂层的基体在大气气氛中，经过125(TC等温氧化IOOA时， 涂层表面单位面积增重为16.8附g/cm2 。通过对氧化试样断面的SEM分析发现(断 面结构示意如图2所示)，氧化以后涂层主要由三层组成外层是Al203和Si02混合
氧化物层;中间层为Al-Si-Cr混合层；内层为互扩散层(与基体结合层，约有)。 氧化后的涂层表面经过XRD、 SEM分析表明涂层表面形成了连续、致密的A1203 和Si02混合氧化物层，从而成功地阻止了氧向基体的扩散。通过对制备有涂层的基体与未制备涂层的基体相比，其单位面积增重降低了大约 200mg/cm2 ，证明制备有涂层的基体具有很好的高温抗氧化作用。 实施例2 :第一步基体的前处理将Nb-24Ti墨16Si-6Al-6Cr-2Hf基体切割成长13wm ，宽8m附，高的长 方形试样，并采用150#、 360#、 500弁水磨砂纸磨光后，釆用喷砂机进行表面喷砂 处理后待用，喷砂后基体表面粗糙度RZ-60 80/zm;第二步配制涂层材料(A) 称取30wt。/。的Al粉、30wt。/。的Cr粉、40wtQ/。的Si粉混合后经研磨 150min后制得粒度为250 350目的第一混合粉末；(B) 将经(A)步骤制得的第一混合粉末与粘结剂混合后经研磨400min后制 得粒度为250 350目的第二混合粉末；第一混合粉末与粘结剂的用量为lOOOg的第一混合粉末中放入1500m/的粘结剂；所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在8CTC中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去 离子水的用量为每100附/去离子水中添加5g阿拉伯树胶；(C) 将经(B)步骤制得的第二混合粉末经雾化干燥造粒后制得粒度为200~ 250目的涂层材料；雾化干燥釆用离心雾化方法，第二混合粉末经恒流泵注入雾化器并立即被雾化器 的剪切力分散成很多细小液滴(40 70//m)，其中雾化器转速为20000Wmin，雾 化器进口温度为230。C，雾化器出口温度为150°C。第三步低压等离子喷涂制涂层将经第一步处理后的基体安装在低压等离子喷涂设备的夹具上，并将经第二步配 制的涂层材料放入送料器中，调节喷涂工艺参数制Al-Si-Cr涂层；
等离子喷涂参数罐内压力40xl0、a，主气流量为100￡//j，次气流量为 30丄/A，电流为600爿，电压为60F，送粉器的送粉量为22g/min。将上述制得的A1-Si-Cr涂层经SEM分析表明，制备的涂层主要由两层组成 外层为A1-Si-Cr混合层，该混合层由Cr(Si, Al)2、 Al、 Si三相组成；内层为涂层与 基体之间的互扩散层，厚度大约为15/^，该层由Nb、 Ti、 Si、 Al、 Cr组成。将Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体在大气气氛中，经过1000。C等温氧化 100 / 时，基体表面单位面积增重为4 4.6 mg / cw2 。将制得有Al-Si-Cr涂层的基体在大气气氛中，经过IOO(TC等温氧化100/;时， 涂层表面单位面积增重为5.6mg/cm2。通过对氧化试样断面的SEM分析发现，氧 化以后涂层主要由三层组成:外层是^203和Si02混合氧化物层;中间层为Al-Si-Cr 混合层；内层为互扩散层(与基体结合层，约有50//附)。氧化后的涂层表面经过 XRD、 SEM分析表明涂层表面形成了连续的致密的Al20s和Si02混合氧化物层， 从而成功地阻止了氧向基体的扩散。通过对制备有涂层的基体与未制备涂层的基体相比，其单位面积增重降低了大约 40mg/cw2 ，证明制备有涂层的基体具有很好的高温抗氧化作用。
权利要求
1、一种Al-Si-Cr涂层，所述Al-Si-Cr涂层制备在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体上，其特征在于所述Al-Si-Cr涂层由Al-Si-Cr混合层和互扩散层组成，互扩散层在Al-Si-Cr混合层与Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体之间，互扩散层厚度为5～15μm。
2、 根据权利要求1所述的Al-Si-Cr涂层，其特征在于Al-Si-Cr混合层由 Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相组成。
3、 根据权利要求l所述的Al-Si-Cr涂层，其特征在于互扩散层中含有Nb、 Ti、 Si、 Al和Cr元素。
4、 根据权利要求l所述的Al-Si-Cr涂层，其特征在于制备有Al-Si-Cr涂层 的基体在高温1000~1250°C、等温氧化IOOA以后在Al-Si-Cr混合层上形成含有 八1203和Si02的混合氧化物层，进而阻止了氧向基体的扩散。
5、 根据权利要求1所述的Al-Si-Cr涂层，其特征在于:互扩散层在高温1000~ 1250°C、等温氧化IOOA时厚度增加了 50 100//m。
6、 根据权利要求1所述的Al-Si-Cr涂层，其特征在于制备有Al-Si-Cr涂层 的基体在1000 1250。C高温氧化100A时，单位面积增重为5.6~16.8mg/cw2。
7、 一种釆用低压30~40><103戸等离子喷涂制备Al-Si-Cr涂层的方法，其特 征在于有下列制备步骤第一步基体的前处理将Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体釆用150弁、360#、 500弁水磨砂纸磨光， 并采用喷砂机进行表面喷砂处理后待用，喷砂后基体表面粗糙度RZ=60 80，； 第二步配制涂层材料(A) 称取30 35wt。/。的Al粉、30 33wt。/。的Cr粉、32 40wt。/。的Si粉， 并且上述各成分的含量之和为100%,混合后经研磨30 150min后制得粒度为 250~350目的第一混合粉末；(B) 将经(A)步骤制得的第一混合粉末与粘结剂混合后经研磨250 400min 后制得粒度为250 350目的第二混合粉末；第一混合粉末与粘结剂的用量为lOOOg的第一混合粉末中放入1000 1500m/的粘结剂； 所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在80 10crc中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每lOOm/去离子水中添加0.5 5g阿拉伯树胶；(C)将经(B)步骤制得的第二混合粉末经雾化干燥造粒后制得粒度为200 250目的涂层材料；雾化干燥采用离心雾化方法，所述第二混合粉末经恒流泵注入雾化器并立即被雾 化器的剪切力分散成很多细小液滴，其中雾化器转速为8000 20000Wmin，雾化 器进口温度为220 230。C，雾化器出口温度为130~150°C;第三步低压等离子喷涂制涂层将经第一步处理后的基体安装在低压等离子喷涂设备的夹具上，并将经第二步配 制的涂层材料放入送料器中，调节喷涂工艺参数制A1-Si-Cr涂层；等离子喷涂参数罐内压力30 40xl0 fl，主气流量为60 100丄//2，次气 流量为25 30￡//2,电流为560 600J，电压为50 60F，送粉器的送粉量为 20 22g/min。
全文摘要
本发明公开了一种采用低压等离子喷涂制备Al-Si-Cr涂层的方法，通过采用低压30～40×10³pa等离子喷涂工艺在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体上制备了Al-Si-Cr涂层，使得基体与涂层之间形成5～15μm的互扩散层；Al-Si-Cr涂层在高温1000～1250℃氧化时能够形成连续的致密的Al₂O₃和SiO₂混合氧化物层，从而阻止涂层和基体的进一步被氧化，改善了Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基体的抗高温氧化性能，制备有涂层的基体表面单位面积增重为5.6～16.8mg/cm²。所述Al-Si-Cr涂层由Al-Si-Cr混合层和互扩散层组成，其中Al-Si-Cr混合层包含Cr(Si，Al)₂、Al、Si三相；互扩散层含有Nb、Ti、Si、Al和Cr元素。
文档编号C23C4/02GK101126144SQ20071012222
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月24日 优先权日2007年9月24日
发明者周春根, 姚登樽, 虎 张, 徐惠彬, 锐 蔡 申请人:北京航空航天大学