一种制备MCrAlY热障涂层的新工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备MCrAlY热障涂层的新工艺，包括：⑴①配置电镀液；②清洗待电镀工件；③将清洗后的待电镀工件表面进行打磨、抛光；⑵①制备CrAlY粉末；②将待电镀工件与电源的负极相连，纯镍棒与电源的正极相连，再将待电镀工件和纯镍棒一起插入电解槽中；③将CrAlY粉末溶于电镀液中，充分搅拌均匀后再一起加入电解槽中；④调整电解槽温度和PH值，选择电压和电流密度，打开电源进行电镀，获得电镀半成品；⑶将电镀半成品放入真空炉，向真空炉充入保护气体，加热至电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。本发明不受工件复杂外形限制，涂层均匀、表面光洁，涂层与基体结合紧密，速度可控、成本低，可运用于大规模生产。
【专利说明】—种制备MCrAI Y热障涂层的新工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种MCrAH热障涂层的制备工艺，尤其涉及一种制备MCrAH热障涂层的新工艺。
【背景技术】
[0002]工业燃气轮机在过去几十年中取得了突飞猛进的发展，主要体现在工业燃气轮机不断提高的燃烧温度和热机效率这两个方面。而这一切主要归功于材料的发展，尤其是燃机叶片材料和涂层材料的发展。
[0003]目前，大部分燃机叶片材料采用镍基高温合金，镍具有较高熔点、合金基体韧性好、高温下组织稳定及综合性能突出的优势。然而，随着航空和工业燃气轮机技术的进一步发展，热端部件的使用温度要求越来越高，很多已经达到甚至超过高温合金和单晶材料的熔点。以燃料轮机的受热部件(如喷嘴、叶片、燃烧室)为例，其在日常工作中承受的温度高达1100°c，已超过了高温镍合金使用的极限温度1075°c，特别是F、H级燃机(极限温度为1200?1400°C )，其燃烧温度已经远高于镍合金的熔点，在这种情况下，热障涂层的应用显得尤为重要。
[0004]热障涂层由陶瓷镀层、金属粘结层和热生长层组成，热障涂层沉积在高温合金的表面，具有一定的厚度和耐久度。热障涂层对基体材料起到了隔热作用，可降低基体的温度，提高基体的抗高温氧化、抗腐蚀和抗磨损性能，使得高温合金叶片能够在其熔点以上的高温环境中使用，进一步提高了高温合金的使用温度。因此，热障涂层技术已经成为近些年来国际高温涂层领域最活跃的研究课题之一。
[0005]MCrAlY/YSZ热障涂层是最广泛应用的工业燃机涂层，它主要通过大气等离子喷涂(APS)或者电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备。其中，大气等离子喷涂是使用粉末作为涂层原料，利用阳极(喷嘴)和阴极(电极)之间点燃高频电弧，将涂层材料溶化与等离子气体羽流射向靶机体形成涂层的一种工艺。但是，通过APS制备的涂层组织呈片层状、空洞较多、抗热振性能差，容易导致涂层提前剥落，致使叶片失效，影响燃机的正常运转。而EB-PVD是在真空环境下，利用高能量密度的电子束加热待蒸发材料，使其达到熔融气化状态，并在偏转磁场作用下蒸发至基材上凝结成涂层的工艺。由EB-PVD制备的涂层结合力强，抗形变能力强，但是其沉积速率低，尺寸要求不能太大，成本高，阻碍了这项工艺的进一步推广适用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种工艺简单、制备效率高、使用寿命长、成本低的制备MCrAlY热障涂层的新工艺，能够有效避免产生片层结构、减少孔隙率、提高涂层与基体的结合力、镀层表面光洁、厚度均匀且易于控制，应用于各种尺寸的工件，可适用于大规模生产。
[0007]本发明的目的通过如下的技术方案来实现:一种制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于具体包括以下步骤:
[0008]⑴前期预处理:
[0009]①配置电镀液:电镀液中Ni离子、SO4离子、Cl离子的摩尔比为5:4:1，其余为添加剂。电镀液是以Ni离子为主的电解质(如NiSO4或NiCl2),具体可根据涂层成分和厚度的具体要求，选择合适的电解液配方；
[0010]②清洗待电镀工件以去除待电镀工件表面的杂质和氧化物；
[0011]③将清洗后的待电镀工件表面进行打磨、抛光，以增加镀层的结合力；
[0012]⑵电镀:
[0013]①制备CrAH粉末:Cr、Al、Y元素的质量百分比为:Cr:50?70wt%、Al:30?40wt%,Y:2?3wt%，wt%为质量百分比，将Cr、Al、Y元素融化成一体，固化后得到CrAH颗粒，将CrAH颗粒研磨成CrAH粉末；
[0014]Cr、Al、Y元素的具体配比是利用理论计算(根据化学式和成分配比，计算所需要的各种元素的含量)和实验(化学实验测量生成物的配比是否达到需要的要求，再调整，使其成分与预期一致)相结合的方法来确定Cr、Al、Y等元素的配比。
[0015]②将待电镀工件与电源的负极相连，将纯镍棒与电源的正极相连，再将待电镀工件和纯镍棒一起插入电解槽中；
[0016]③将由步骤⑵①制得的CrAH粉末溶于由步骤⑴①制得的电镀液中，充分搅拌均匀后再一起加入电解槽中，并使含有CrAH粉末的电镀液浸没待电镀工件；
[0017]④调整电解槽的温度和PH值，选择电压和电流密度，打开电源进行电镀，获得电锻半成品；
[0018]可根据电镀的具体要求，如镀层厚度、工件大小、电沉积速率等参数，选择合适的电压与电流(与待电镀工件的大小有关)。
[0019]⑶后期热处理:将电镀半成品放入真空炉中，向真空炉中充入保护气体，并加热直至电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。
[0020]本发明采用电化学沉积的方法，将待电镀工件完全浸没在电镀液中，利用CrAH颗粒与镍的共沉积，将所需要的涂层镀在待电镀工件表面上，所以不受工件复杂外形的限制，涂层厚度均匀。因为电镀过程中不会产生气体，所以涂层表面光洁，涂层与基体结合紧密。而且由于电化学共沉积工艺操作简单，电镀液价格低廉，可以通过电压和电流来控制电镀速度，所以本发明具有制备速度可控，成本低，可运用于大规模生产等优势。
[0021]本发明所述电镀液的物料组成如下:硫酸镍260?300g/L、氯化镍35?45g/L、硼酸40?50g/L、光亮剂0.1?0.2ml/L、开缸剂8?10ml/L。
[0022]本发明在所述步骤⑴②中，所述清洗待电镀工件表面是通过水洗、丙酮浸泡、酸洗、水洗烘干除去待电镀工件表面的杂质和氧化物。
[0023]本发明在所述步骤⑴③中，使用砂纸打磨抛光待电镀工件表面至光洁度为Ral.0 ?5 μ m0
[0024]本发明在所述步骤⑵①中，利用高温电弧融化Cr、Al、Y元素，固化成CrAH颗粒后，再使用球磨机将CrAH颗粒研磨成小于50 μ m的CrAH粉末。
[0025]本发明在所述步骤⑵④中，电解槽的温度为50?85°C、PH值为4.0?5.0,电压为6?9V、电流密度为I?2A/dm2。
[0026]本发明在所述步骤⑶中，加热的温度是1000?1200°C并保持I?20小时，电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。
[0027]本发明所述步骤⑶中的保护气体是氮气或氩气。
[0028]与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果:
[0029]⑴本发明所制备的MCrAH热障涂层比较致密、孔隙率低、涂层与基体的结合力强，使用寿命长、镀层表面光洁，厚度均匀且易于控制，可以应用于复杂的燃气轮机机叶片。
[0030]⑵本发明所制备的镀层表面光洁平整，可以有效地减少疲劳裂纹的产生几率，提高了涂层的抗形变容限，热循环寿命好。
[0031 ] ⑶本发明制备速度快，成本低，可广泛应用于大规模生产。
[0032]⑷本发明所制备的镀层具有高耐腐蚀性，耐磨性，高硬度无孔隙率低的优点。
[0033](5)本发明不受工件复杂外形的限制、不受工件尺寸的限制，速度快，制作成本低。
【具体实施方式】
[0034]实施例1
[0035]本发明一种制备MCrAH热障涂层的新工艺，具体包括以下步骤:
[0036]⑴前期预处理:
[0037]①配置电镀液:电镀液是以Ni离子为主的电解质(如NiSO4或NiCl2),在本实施例中，电镀液的物料组成如下:硫酸镍260g/L、氯化镍35g/L、硼酸40g/L、光亮剂0.lml/L、开缸剂8ml/L。具体可根据涂层成分和厚度的具体要求，选择合适的电解液配方；
[0038]②清洗待电镀工件表面以去除待电镀工件表面的杂质和氧化物，具体是通过水洗、丙酮浸泡、酸洗、水洗烘干去除待电镀工件表面的杂质和氧化物；
[0039]③将清洗后的待电镀工件表面进行打磨、抛光，具体是使用砂纸打磨抛光待电镀工件表面至光洁度为Ra LOym0从而增加镀层的结合力；
[0040](2)电镀:
[0041]①制备CrAlY粉末:Cr、Al、Y元素的质量百分比是:Cr:50wt%, Al:30wt%, Y:2wt%,wt%为质量百分比，利用高温电弧将Cr、Al、Y元素融化成一体，固化后得到CrAH颗粒，再使用球磨机将CrA；LY颗粒研磨成小于50 μ m的CrA；LY粉末；
[0042]Cr、Al、Y元素的配比是根据具体MCrAH热障涂层的成分，利用理论计算和实验相结合的方法来确定，理论计算是指根据化学式和成分配比，计算所需要的各种元素的含量；实验是指化学实验测量生成物的配比是否达到需要的要求，再调整，使其成分与预期一致；
[0043]②将待电镀工件与电源的负极相连，将纯镍棒与电源的正极相连，再将待电镀工件和纯镍棒一起插入电解槽中；检查连接是否完好，有无短路，漏接。
[0044]③将由步骤⑵①制得的CrAH粉末溶于由步骤⑴①制得的电镀液中，充分搅拌均匀后再一起加入电解槽中，并使含有CrAH粉末的电镀液浸没待电镀工件；
[0045]④调整电解槽的温度为50°C、PH值为4.0,电压为6V、电流密度为lA/dm2。打开电源进行电镀，电镀时间跟热障涂层的厚度有关，电镀200um的热障涂层，需要一个小时左右。获得电镀半成品；可根据电镀的具体要求，如镀层厚度、工件大小、电沉积速率等参数，选择合适的电压与电流；
[0046]在电镀过程中需注意以下事项:
[0047]1、注意电压、电流和PH值等参数的稳定，如果有较大波动，应采取相应措施解决予以问题，或终止电镀，查明原因。
[0048]2、电镀过程中，如出现沉积速度过慢，镀层粗糙，镀层发暗的现象，应停止电镀，查明原因。
[0049]3、适当提高温度有利于电解质的扩散，增加镀液的导电性，提高镀液的均匀性，但是温度过高会造成镀层粗糙，发暗。
[0050]4、电解槽中的搅拌装置可选用玻璃棒或者磁性转子，目的是提高镀液的均匀性，使得电镀过程平稳，电镀层厚度均匀，镀层致密。
[0051]⑶后期热处理:当待电镀工件完成电化学镀后，虽然镀层的成分和厚度达到了目标要求，但是其镀层的微观结构还没达到使用标准，需进行后期热处理。后期热处理主要是真空扩散处理，目的是利用Al、Cr、CO、Ni元素在高温下的扩散，让镀层与基体成分在高温下发生扩散和相变，产生非片层的柱状晶体结构，主要为β相。将电镀半成品放入真空炉中，向真空炉中充入保护气体(氮气或氩气)，并加热至1000°C，保持10小时，电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。实际场合中，具体温度和时间可以根据镀层成分、厚度等参数来确定。
[0052]实施例2
[0053]本实施例与实施例1的不同之处在于:在步骤⑴①中，电镀液的物料组成如下:硫酸镍280g/L、氯化镍40g/L、硼酸45g/L、光亮剂0.15ml/L、开缸剂9ml/L ;在步骤⑴③中，使用砂纸打磨抛光待电镀工件表面至光洁度为Ra 3 μ m ;在步骤⑵①中，Cr、Al、Y元素的质量百分比是:Cr:60wt%,Al:35wt%, Y:2.5wt% ;在步骤⑵④中，调整电解槽的温度为70°C、PH值为4.5，电压为8V、电流密度为1.5A/dm2 ;在步骤⑶中，加热的温度是1100°C并保持15小时，电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。
[0054]实施例3
[0055]本实施例与实施例1的不同之处在于:在步骤⑴①中，电镀液的物料组成如下:硫酸镍300g/L、氯化镍45g/L、硼酸50g/L、光亮剂0.2ml/L、开缸剂10ml/L ;在步骤⑴③中，使用砂纸打磨抛光待电镀工件表面至光洁度为Ra5 μ m ;在步骤⑵①中，Cr、Al、Y元素的质量百分比是:Cr:70wt%,Al:40wt%,Y:3wt% ;在步骤⑵④中，调整电解槽的温度为85°C、PH值为5.0，电压为9V、电流密度为2A/dm2 ;在步骤⑶中，加热的温度是1200°C并保持20小时，电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。
[0056]本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明电镀液中Ni离子、SO4离子、Cl离子的摩尔比为5:4:1，其余为添加剂；Cr、Al、Y元素的质量百分比为:Cr:50?70wt%, Al:30 ?40wt%、Y:2 ?3wt% ;硫酸镍 260 ?300g/L、氯化镍 35 ?45g/L、硼酸40?50g/L、光亮剂0.1?0.2ml/L、开缸剂8?10ml/L ;使用砂纸打磨抛光待电镀工件表面至光洁度为Ra 1.0?5 μ m ;电解槽的温度为50?85°C、PH值为4.0?5.0，电压为6?9V、电流密度为I?2A/dm2 ;在步骤⑶中，加热的温度是1000?1200°C并保持I?20小时；因此本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
【权利要求】
1.一种制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于具体包括以下步骤: ⑴前期预处理: ①配置电镀液:电镀液中Ni离子、SO4离子、Cl离子的摩尔比为5:4:1 ; ②清洗待电镀工件以去除待电镀工件表面的杂质和氧化物； ③将清洗后的待电镀工件表面进行打磨、抛光； ⑵电镀: ①制备CrAH粉末:Cr、Al、Y元素的质量百分比为:Cr:50?70wt%、A1:30?40wt%、Y:2?3wt% ;将Cr、Al、Y元素融化成一体，固化后得到CrAH颗粒，将CrAH颗粒研磨成CrAlY粉末； ②将待电镀工件与电源的负极相连，将纯镍棒与电源的正极相连，再将待电镀工件和纯镍棒一起插入电解槽中； ③将由步骤⑵①制得的CrAH粉末溶于由步骤⑴①制得的电镀液中，充分搅拌均匀后再一起加入电解槽中，并使含有CrAH粉末的电镀液浸没待电镀工件； ④调整电解槽的温度和PH值，选择电压和电流密度，打开电源进行电镀，获得电镀半成品； ⑶后期热处理:将电镀半成品放入真空炉中，向真空炉中充入保护气体，并加热直至电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。
2.根据权利要求1所述的制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于:所述电镀液的物料组成如下:硫酸镍260?300g/L、氯化镍35?45g/L、硼酸40?50g/L、光亮剂0.1?0.2ml/L、开缸剂 8 ?10ml/Lo
3.根据权利要求1或2所述的制备MCrAlY热障涂层的新工艺，其特征在于:在所述步骤⑴②中，所述清洗待电镀工件表面是通过水洗、丙酮浸泡、酸洗、水洗烘干除去待电镀工件表面的杂质和氧化物。
4.根据权利要求3所述的制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于:在所述步骤⑴③中，使用砂纸打磨抛光待电镀工件表面至光洁度为Ra 1.0?5 μ m。
5.根据权利要求4所述的制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于:在所述步骤⑵①中，利用高温电弧融化Cr、Al、Y元素，固化成CrAH颗粒后，再使用球磨机将CrAH颗粒研磨成小于50 μ m的CrAlY粉末。
6.根据权利要求5所述的制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于:在所述步骤⑵④中，电解槽的温度为50?85°C、PH值为4.0?5.0,电压为6?9V、电流密度为I?2A/dm2。
7.根据权利要求6所述的制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于:在所述步骤⑶中，加热的温度是1000?1200°C并保持I?20小时，电镀半成品完成扩散和相变，获得电锻成品。
8.根据权利要求7所述的制备MCrAH热障涂层的新工艺，其特征在于:所述步骤⑶中的保护气体是氮气或氩气。
【文档编号】C25D5/34GK104372390SQ201410746542
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】黄丰, 聂铭, 林介东, 钟万里, 梁永纯, 李长鹏, 姚志奇, 陈国锋 申请人:广东电网有限责任公司电力科学研究院, 西门子（中国）有限公司