专利名称：铝锆钇三元共渗涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的镀覆领域，具体地说就是将Al、Zr、Y三种元素采用粉末包埋的技术一步性的共同渗入到基体材料的表面，以提高基材的抗高温氧化及腐蚀性能。
在燃气轮机发展方面，为改进燃机效率，趋向于较高的运行温度，而工业上又趋向于使用较劣质的燃料，也就是说要求制备燃气轮机的材料即具有优良的力学性能，同时又需要具备良好的抗高温氧化性能及抗热腐蚀性能。因此，通过对基材表面涂层的设计而改进基材的表面抗高温氧化和热腐蚀性能，长期以来成为材料科学的重要研究方向之一。目前国内外制备涂层的工艺主要为气相沉积、等离子喷涂、磁控溅射、热扩散等几种，如用喷涂法制作的McoAlY涂层具有优良的抗热腐蚀性能，适用于运行参数高，使用环境恶劣的燃气轮机涡轮叶片。但前三种涂层的制备存在一定的局限性气相沉积工艺因涂层所含元素相当不同的蒸汽压，涂层成份唯于控制，喷涂工艺制备的涂层需花时间仔细研磨，以制备出令人满意的涂层表面。溅射工艺则需要首先制备出与涂层成份相当的金属耙，也就是说工艺复杂，另外还需要专门的大型设备。因而到目前为止，应用的最广泛最成熟的涂层还是铝化物扩散涂层。单渗铝涂层在实际长期使用过程中，由于高温氧化和热腐蚀作用，特别容易退化剥落。而某些二元共渗涂层如Cr-Al涂层往往发生剥落和开裂，抗冲蚀能力较差，Pt-Al涂层由于形成了PtAl2脆性相，热疲劳性能差，曾经报导过[1]的Al-Y二元共渗涂层，抗氧化性能1000℃、100h时氧化增重为0.8～0.9mg/cm2，也不尽理想。
本发明的目的在于提供一种有较好的抗高温氧化及热腐蚀性能，长期使用不易退化，且工艺简单易于实现的涂层，即Al-Zr-Y三元共渗涂层。
本发明的主要内容是采用粉末包埋法，将Al，Zr，Y三种元素一步式的共同渗入到基体材料如镍基合金、钢等中去，其所用的共渗剂混合物成份如下(重量百分比，以下均同)Al2O3ZrO2铝热剂 Y2O3复合活性剂10-5010-5020-702-201-15其中铝热剂为铝粉、铁铝粉或其混合物，复合活性剂为YF3、NaF、NH4Cl、AlF3，K2，ZrF6之一或其混合物。制备时将基材埋入其渗剂中共750～1100℃保温2-10h，最佳温度范围在800～1050℃之间。在共渗剂化合物中，Al除渗入基材表面外，还起到一定的还原作用，反应式如下
新生成的Zr和Y原子由于具有较高的活性，从而可以比较容易地渗入到基材的表面。Al2O3在共渗剂中起到填充剂的作用，主要目的是防止Al粉或FeAl粉的粘连。ZrO2及Y2O3也部分地起到填充剂的作用。在Al-Y-Zr三元共渗涂层中，锆和钇起到激活和参杂作用，它们可以促进抗蚀元素Al，Cr和Tl的选择扩散和择优氧化，在合金涂层表面形成Al，Cr和Tl的混合型腐蚀层，腐蚀层致密，与基体涂层粘附性好，在涂层和基体之间形成有一定宽度的富铬，富钛和富钽的连续层，提高了合金涂层抗腐蚀和蠕变性能。另外，锆和钇还起到晶界变性剂作用，它们均为晶界元素，在合金中固溶度微小，容易析聚晶界，改变晶界状态，提高合金涂层的晶间强度，从而也提高了合金的抗热腐蚀蠕变性能。实验表明，1000℃高温氧化时，Al-Zr-Y共渗涂层100h平均氧化增重仅为0.2～0.3mg/cm2，在温度为850℃，熔盐成份90%Na2So4+10% K2So4热腐蚀条件下，Al-Zr-Y共渗涂层经200小时热腐蚀，涂层表面无明显腐蚀迹相。由于本发明使用的是热扩散型涂层工艺，因而工艺简单、设备简单易于实现。下面详述实施例。
实施例11、共渗剂混合物料成份30% Al2O3，25% ZrO2，5% Y2O3，33% Al 7%复合活性剂(NaF，K2ZrF6，YF3)2、工艺规范温度900℃，时间6h。
3、渗层厚度镍基铸造合金M38G为基体，渗层厚度为40μm。
4、性能高温腐蚀与蠕变性能，实验温度850℃，应力360MPa。涂层性能见表1。
表1高温蠕变寿命和蠕变速度合金环境蠕变断裂蠕变速度M38G (h) δ% h-1Al-Zr-Y 空气 250 8.7 1.13×10-4涂盐膜 214 7.8 1.04×10-4单渗Al 涂盐膜 170 6.2 1.25×10-4M38G 空气 263 9.8×10-5涂盐膜7
实施例21、共渗剂混合物料成份50% FeAl，12% Al2O3，10% ZrO2，10% Al，5% Y2O313%复合活性剂。(NaF，K2ZrF6，YF3)2、工艺规范温度850℃时间6h3、渗层厚度镍基合金K403为基体，渗层厚度35μm左右。
4、性能1000℃100小时氧化增重0.25mg/cm2，氧化速率0.025mg/m2·h。
实施例31、共渗剂混合物料成分55% FeAl，15% Al2O3，10% ZrO2，10% Al，5% Y2O3，5%复合活性剂(NaF，K2ZrF6，YF3，NH4Cl)。
2、工艺规范温度900℃时间6h3、渗层厚度20＃钢为基体，渗层厚度100μm左右。
4、性能900℃100小时氧化增重0.12mg/cm2，氧化速率0.012g/m2·h。
参考文献(1)王福会楼输-白林祥《金属学报》Vo1，26，No.2(1990)
权利要求
1.一种热扩散型涂层，其特征在于该涂层是采用粉末包埋法，将Al，Zr，Y三种元素一步式的共同渗入到基体材料如镍基合金，钢等中去而形成的。
2.按权利要求1所述涂层，其特征在于所用的共渗剂混合物成份如下Al2O3ZrO2铝热剂 Y2O3复合活性剂10-50 10-50 20-70 2-20 1-15其中铝热剂为铝粉，铁铝粉或其混合物。复合活性剂为YF3、NaF、NH4Cl，AlF3，K2ZrF6之一或其混合物。
3.按权利要求2所述涂层，其特征在于，所需的化学热处理过程为将基材埋入共渗剂中，750～1100℃保温2～10h。
4.按权利要求3所述涂层，其特征在于最佳热处理温度，应在800～1050℃。
全文摘要
本发明涉及金属材料的镀覆领域，即提供了一种能提高基材的抗高温氧化及腐蚀性能的三元共渗涂层。其主要内容为将Al、Zr、Y三种元素一步式的共同渗入到基体材料中去，共渗剂成分如下Al10—50 10—50 20—70 2—20 1—15本涂层具有优良的抗高温氧化及热腐蚀性能，且工艺简单，所用设备亦简单。
文档编号C23C10/52GK1076733SQ9210610
公开日1993年9月29日 申请日期1992年3月25日 优先权日1992年3月25日
发明者段学章, 王卫林, 张亚明 申请人:中国科学院金属腐蚀与防护研究所