本发明专利技术提供了一种利用自发热力学反应，在原位自动生成Cr23C6陶瓷扩散障的抗高温防护涂层，其特征在于：所述抗高温防护涂层由Cr23C6相中间层和MCrAlX表面层组成，其中M为Ni和/或Co，X为Hf、Si、Zr、稀土元素以及混合稀土中至少一种，稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y；混合稀土为两种或两种以上稀土元素同时使用；MCrAlX表面层中Cr含量为25％～40％，Al含量为5％～15％，X含量为0.05％～1.5％。该涂层具有良好的抗剥落性能，且可显著降低涂层中的Al向基体扩散情况的发生，防止互扩散导致的基体力学劣化现象。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属高温防护领域，特别提供一种不影响高温合金基体力学性能的抗高温防护涂层及其制备方法。
技术介绍
许多零件工作在高温环境中，如燃气轮机涡轮叶片等。在零件表面涂覆抗高温防护涂层，可以提高零件的服役寿命，避免早期损坏。常用的高温防护涂层为MCrAlY(其中M＝Ni,Co或其组合)和渗铝涂层。在工作温度低于1000℃时，上述涂层可以提供良好的高温防护性能，并不影响基体力学性能。但在更高的工作温度条件下，涂层与基体之间的互扩散太快，涂层中的Al大量向基体扩散，一方面会使涂层有效抗高温合金组元损失，降低涂层寿命，另一方面会使涂层/基体界面形成二次反应区，出现针状拓扑密排相，严重影响基体力学性能，最高可使基体蠕变寿命降低80％。为了避免涂层/基体互扩散，不影响基体力学性能，研发人员开发出带扩散障的抗高温涂层技术，即在沉积常规抗高温涂层之前，预先沉积一个薄的阻扩散层。已开发出的扩散障材料有难熔金属(如Re、Mo等)、陶瓷(如TiN、Al2O3等)。难熔金属扩散障抗剥落性能好，但阻扩散性能不足，而陶瓷扩散障则阻扩散性能好，但易于在冷热循环过程中剥落。此外，扩散障的制备过程增加了涂层成本。陶瓷扩散障之所以具有良好的阻扩散性能，其原因是抗氧化组元Al在陶瓷中的扩散速率低，Al在除氧化铝之外的陶瓷中的固溶度低。换句话说，Al在陶瓷扩散障中固溶度极低，或迁移速率极慢，都能起到阻碍涂层中的Al通过陶瓷层扩散到基体的作用。陶瓷扩散障抗剥落性能不好的原因也主要有两个：人工制备的界面结合力不足，陶瓷的热膨胀系数与高温合金和MCrAlY涂层差异较大。当热应力超过界面结合力时，界面就会出现开裂，进而导致涂层剥落。为了同时满足抗剥落性能和阻扩散性能好两个要求，需要开发出新的阻扩散抗高温防护涂层技术。解决陶瓷扩散障抗剥落性能问题，主要应从提高界面结合力方面着手，因为调控陶瓷热膨胀系数比较困难。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用自发热力学反应，在原位自动生成Cr23C6陶瓷扩散障的抗高温防护涂层技术。具体专利技术方案如下：一种不影响高温合金基体力学性能的抗高温防护涂层，其特征在于：所述抗高温防护涂层由Cr23C6相中间层(原位自发生成的Cr23C6扩散障层)和MCrAlX表面层组成；所述MCrAlX表面层，其中M为Ni和/或Co，X为Hf、Si、Zr、稀土元素以及混合稀土中至少一种，稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y；混合稀土为两种或两种以上上述稀土元素同时使用；所述MCrAlX表面层，其中Cr含量为25wt％～40wt％，Al含量为
5wt％～15wt％，X含量为0.05wt％～1.5wt％，M余量。所述Cr23C6相中间层的厚度为0.1μm～10μm；所述MCrAlX表面层的厚度为10μm～1000μm；晶粒尺寸小于100nm。高温合金中通常含有微量的C，它能与金属Cr、Mo、W等在晶界形成细小碳化物，从而能够提高合金的蠕变性能。在C含量达到一定阈值(足以形成碳化物)的高温合金表面制备Cr含量达到一定阈值(超出母相固溶度)的纳米晶MCrAlX表面层，利用纳米晶的高扩散率，则能在涂层/界面形成Cr23C6扩散障。如果高温合金的C含量太低，例如低于0.01wt％，可先制备一层高温合金层，使其C含量提高到0.2wt％～0.4wt％，从而保证MCrAlX表面层之下具有足够的C可供形成Cr23C6扩散障之用。Al在Cr23C6中的固溶度极低，因此Cr23C6可阻碍Al的扩散，避免涂层中的Al扩散到基体中。原位形成的Cr23C6与涂层和基体结合力显著高于涂层方法制备的Cr23C6层，因此具有良好的抗剥落性能。本专利技术所述高温防护涂层，其特征在于：在MCrAlX表面层的表面可再增加一个低热导率陶瓷层，其厚度为30μm～1000μm。所述低热导率陶瓷层优选为ZrO2-xY2O3、Nd2Zr2O7、Nd2Zr2O7/ZrO2-xY2O3，其中ZrO2-xY2O3为底层，Nd2Zr2O7为面层，x＝6mol％～8mol％。本专利技术所述抗高温防护涂层的制备方法，其特征在于：制备设备为：磁控溅射仪；制备工艺过程为：(1)、铸造并加工MCrAlX靶材；(2)、调整高温合金基体靶材的C含量为0.2wt％～0.4wt％，铸造并加工高温合金基体靶材；(3)、采用高温合金基体靶材，溅射沉积5μm～10μm的涂层；(4)、采用
MCrAlX靶材，溅射沉积10μm～1000μm的MCrAlX涂层；(5)、对零件进行900℃～1000℃真空退火，时间为1h～2h。对于C含量高于0.2wt％的高温合金零件，可省略工艺过程(2)和(3)，即不需要铸造和加工高温合金基体靶材以及沉积高温合金层；对于工作温度高于900℃的高温合金零件，可省略工艺过程(5)，即不需要真空退火过程；制备过程中真空室的温度应控制在150℃～290℃范围内。工艺过程(5)可被下述工艺过程替代：采用电子束物理气相沉积、等离子喷涂或化学气相沉积方法，沉积低热导率陶瓷层，零件加热温度为900℃～1080℃。工艺过程(1)中MCrAlX靶材的化学成分优选为Co 19wt％～23wt％，Cr 25wt％～27wt％，Al 9wt％～11wt％，Y 0.1wt％～0.5wt％，Hf 0.05wt％～0.5wt％，Si 0.1wt％～0.9wt％，Y、Hf、Si含量之和不超过1.5wt％，Ni为余量。本专利技术采用磁控溅射方法在高温合金基体上沉积MCrAlX表面层，在真空退火或服役过程中，MCrAlX表面层中的Cr与基体中的C之间发生界面反应，形成Cr23C6相中间层，该中间层为扩散障层，可显著降低涂层中的Al向基体扩散情况的发生，进而防止互扩散导致的基体力学劣化现象。所述抗高温防护涂层具有良好的抗剥落性能。附图说明图1涂层体系结构示意图。图2在镍基高温合金K417G表面磁控溅射沉积的NiCrAlYSiHf涂层，
1000℃保温5min-水淬测试100周期后的截面形貌图。图3在镍基高温合金K417G表面磁控溅射沉积的NiCrAlYSiHf涂层，1000℃氧化40h的截面电子探针元素面分布。III区为原位形成的Cr23C6扩散障。具体实施方式实施例1真空熔炼铸造靶材Ni-25Cr-10Al-0.5Y-0.5Si-0.5Hf(wt.％)，加工成平面靶；用磁控溅射方法在镍基高温合金K417G零件表面沉积NiCrAlYSiHf涂层，涂层厚约30μm，晶粒尺度小于20nm；进行1000℃×2h真空退火。对涂覆了涂层的零件进行水淬测试(1000℃保温足够时间，使零件热透；然后将零件投入去离子水中，水温为15℃～35℃，水量足够使零件投入后温度上升不超过30℃；待零件与水温相同时，取出零件，用干燥热风吹干，为1个周期)。测试100周期，零件表面涂层未出现开裂或剥落。对零件进行解剖分析，发现退火过程涂层/基体界面形成致密且结合牢固的Cr23C6扩散障，在测试过程中没有开裂，如图2所示。实施例2制备方法同实施例1。对涂覆了涂层的零件进行氧化测试(1000℃×40h)。对零件进行解剖分析，发现退火过程涂层/基体界面形成的致本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种不影响高温合金基体力学性能的抗高温防护涂层，其特征在于：所述抗高温防护涂层由Cr23C6相中间层和MCrAlX表面层组成；所述MCrAlX表面层，其中M为Ni和/或Co，X为Hf、Si、Zr、稀土元素以及混合稀土中至少一种，稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y；混合稀土为两种或两种以上上述稀土元素同时使用；所述MCrAlX表面层，其中Cr含量为25wt％～40wt％，Al含量为5wt％～15wt％，X含量为0.05wt％～1.5wt％。
【技术特征摘要】
1.一种不影响高温合金基体力学性能的抗高温防护涂层，其特征在于：所述抗高温防护涂层由Cr23C6相中间层和MCrAlX表面层组成；所述MCrAlX表面层，其中M为Ni和/或Co，X为Hf、Si、Zr、稀土元素以及混合稀土中至少一种，稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Y；混合稀土为两种或两种以上上述稀土元素同时使用；所述MCrAlX表面层，其中Cr含量为25wt％～40wt％，Al含量为5wt％～15wt％，X含量为0.05wt％～1.5wt％。2.按照权利要求1所述抗高温防护涂层，其特征在于：所述Cr23C6相中间层的厚度为0.1μm～10μm；所述MCrAlX表面层的厚度为10μm～1000μm；所述MCrAlX表面层的晶粒尺寸小于100nm。3.按照权利要求1所述抗高温防护涂层，其特征在于：在MCrAlX表面层的表面增加一个低热导率陶瓷层，其厚度为30μm～1000μm。4.按照权利要求3所述抗高温防护涂层，其特征在于：所述低热导率陶瓷层为ZrO2-xY2O3、Nd2Zr2O7、Nd2Zr2O7/ZrO2-xY2O3，其中ZrO2-xY2O3为底层，Nd2Zr2O7为面层，x＝6mol％～8mol％。5.一种权利要求1所述抗高温防护涂层的制备方法，其特征在于：制备设备为：磁控溅射仪；制备工艺过程为：(1)、铸造并加工MCrAlX靶材；(2)、调整高温合金...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣龙，任盼，王福会，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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