一种可实现界面强化的MCrAlYX涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可实现界面强化的MCrAlYX涂层及其制备方法，属于表面涂层防护技术领域。通过使用多组元MCrAlYX材料并采用热喷涂及扩散热处理方式进行涂层制备，获得具有界面强化区的MCrAlYX涂层。经过热喷涂及特定的扩散热处理工艺，基材与涂层界面处形成界面强化区，该界面强化区内含有具有析出强化作用的γ’相，与/或具有高度固溶强化的γ相，有助于提高涂层高温力学性能。本发明专利技术设计的涂层及其制备方法借助MCrAlYX成分设计与高温下元素互扩散原理调控材料显微组织，实现了基材与涂层的界面强化，使得材料在高温力学载荷环境中，涂层与基体界面处生成缺陷和裂纹的风险大幅降低，进而提升涂层使用寿命。

A CrAlYX Coating for Interface Strengthening and Its Preparation Method

The invention discloses a CrAlYX coating capable of realizing interface strengthening and a preparation method thereof, belonging to the technical field of surface coating protection. MCrAlYX coatings with interfacial strengthening zone were prepared by using multi-component MCrAlYX materials and thermal spraying and diffusion heat treatment. After thermal spraying and specific diffusion heat treatment process, the interface strengthening zone between substrate and coating is formed. The interface strengthening zone contains precipitation strengthening gamma phase and/or highly solid solution strengthening gamma phase, which is helpful to improve the high temperature mechanical properties of the coating. The coating and the preparation method of the invention regulate the microstructure of the material by means of the principle of MCrAlYX composition design and element mutual diffusion at high temperature, realizes the interface strengthening between the substrate and the coating, and greatly reduces the risk of defects and cracks at the interface between the coating and the substrate under high temperature mechanical load environment, thereby improving the service life of the coating.

【技术实现步骤摘要】
一种可实现界面强化的MCrAlYX涂层及其制备方法
本专利技术属于表面涂层防护
，涉及一种可实现界面强化的MCrAlYX涂层及其制备方法。
技术介绍
MCrAlY涂层是常用的表面防护高温合金材料，M表示基体元素，通常为Ni与Co。为进一步提高涂层的力学与抗氧化性能，在合金涂层中还会添加其他元素，用X表示，进而形成MCrAlYX多组元合金材料。涂层的抗氧化性可以通过优化X元素与含量控制得到提升，例如当涂层中尤其是涂层表层富含Hf,Si,以及其他La系元素时，涂层抗氧化性大幅提升，这是因为这些元素与外界环境中氧的亲和力强，容易在涂层表面率先形成氧化物，这些氧化物可以促进致密氧化铝膜的形成，而且有助于提高氧化膜的抗剥落性。另外，涂层的高温力学性能也非常重要。研究已表明，现有的多数MCrAlY材料设计仅关注了抗氧化防腐蚀作用，往往忽略了涂层的力学性能。实际上，在长期高温环境中，涂层与基材中的元素会发生互扩散，互扩散容易造成基材与涂层界面的“软化”。这种“软化”是因为缺少了具有强化作用的相造成的，在实际复杂热/力学载荷条件下会造成基体与涂层界面诱发裂纹或使得涂层对外部裂纹扩展失去抵抗力，降低涂层寿命。为综合提高涂层的抗氧化性及高温力学性能，现主要有以下几种方法：1)采用多组元MCrAlYX成分设计；2)采用氧化物弥散强化；3)多层涂层结构设计。现有的多组元MCrAlYX材料主要通过改变X元素及其含量获得综合性能优异的涂层，但是这种方法没有考虑涂层与基体之间的相容性，在工件使用过程中容易因为涂层与基体界面应力、材料热不匹配等问题造成涂层内部或界面处开裂。当采用氧化物弥散法时，弥散的氧化物则起到抗“软化”作用，但是这种方法对粉末的制备工艺要求过高，成本高。多层涂层结构设计是近些年来兴起的涂层方法，即采用制备多层不同成分与结构的涂层，典型的方案是在基材与涂层界面制备一层阻扩散层，用于阻止基材与涂层元素互扩散，降低界面“弱化”区的生成；但很明显，这样的方法工艺复杂，实用性差。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人通过不断探索发现，采用高温扩散热处理可以对基材与涂层界面的组织结构进行调控，结合多组元MCrAlYX成分设计思路，可以原位获得具有强化效果的基材/涂层界面，综合满足涂层抗氧化和高温力学性能要求。为此，本专利采用多组元涂层成分设计与涂层组织调控的方式，形成一种可原位获得具有界面强化效果的涂层制备方法，既提升涂层的综合性能，又解决制造成本高、工艺性差等问题。本专利技术的专利技术目的之一是提供一种MCrAlYX粉末材料，具体是指镍基多组元NiCoCrAlYX合金，该合金中元素镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)、钇(Y)及元素X；X代表元素铪(Hf)、硅(Si)、镧(La)系元素、钽(Ta)、铼(Re)中的一种或几种；其中Hf、Si、La系元素的添加起到增强涂层抗氧化性的作用，Ta、Re元素的添加起到强化涂层及涂层与基材界面的作用。进一步地，所述NiCoCrAlYX粉末材料，具体是指，当合金中Ni含量≥40％时(质量分数，下同)，要求Co含量为5～15％，Cr含量为20～30％，Al含量为6～12％，Y含量为0.01～1.5％，元素X至少含有Ta或/与Re，Ta与Re总量为0.5～6％，其他X元素总量为0～1％。作为优选，所述NiCoCrAlYX粉末材料中，当Ni含量≥40％时(质量分数，下同)，Co含量为10～15％，Cr含量为22～25％，Al含量为8～10％，Y含量为0.3～0.6％，元素X为Ta与Re，Ta与Re总量为3～6％。进一步地，所述NiCoCrAlYX粉末材料，具体是指，当合金中Ni含量＜40％时，要求Co含量为25～35％，Cr含量为15～25％，Al含量为8～15％，Y含量为0.01～1.5％，元素X至少含有Ta或Re，Ta与Re总量为0.5～6％，其他X元素总量为0～1％。作为优选，所述NiCoCrAlYX粉末材料中，当Ni含量＜40％时，Co含量为30～35％，Cr含量为18～22％，Al含量为9～11％，Y含量为0.3～0.6％，元素X为Ta与Si，Ta含量为3～6％，Si含量为0.1～0.3％。进一步地，所述NiCoCrAlYX粉末材料为球形，流动性优于20s/50g，粉末内氧含量小于500ppm。本专利技术的专利技术目的之一是提供一种MCrAlYX粉末材料的制备方法，所述粉末制备采用真空雾化技术完成，包括以下步骤：1)配料与投料：将所述NiCoCrAlYX合金所包含元素的单质或合金块材、板材或粉末按元素含量进行配置，并投入熔炼炉内；原料可以一次性投入熔炼炉，亦可选择性地在熔炼过程中间分批次投放；2)熔炼：控制熔炼炉环境真空度小于1Pa，使用氦气、氩气、氮气中的一种或多种作为保护性气体，利用感应加热原理加热炉内金属材料至其完全熔化并混合均匀；3)喷雾造粒：控制喷雾塔的真空度小于1Pa，使用氦气、氩气、氮气中的一种或多种作为保护性气体，打开与熔炼炉连接的阀门使熔液流入喷雾塔，同时采用氦气、氩气、氮气中的一种或多种气体形成的高速气流将熔液吹散，形成细小的液滴，液滴在喷雾塔中快速冷却形成固态的颗粒。4)收集封装：固态颗粒落入收集料罐中，得到NiCoCrAlYX合金粉末；待粉末冷却后对粉末进行筛分，收集合适粒度段的粉末进行封装，剩余粉末可充当返料用于步骤1)。本专利技术的专利技术目的之一是提供一种MCrAlYX粉末材料制备的涂层，所述涂层在基材与MCrAlYX涂层之间的界面处形成界面强化区，所述界面强化区内含有大量γ’析出相，该γ’析出相具有析出强化作用。当MCrAlYX具有Ta、Re等重金属元素时，所述界面强化区内为γ固溶相，该γ相富含Ta、Re等重金属元素，这些重金属元素起到固溶强化作用；根据具体基材与MCrAlYX成分及热处理温度与时间的不同，该界面强化区厚度为1～50微米，且在实际高温服役环境中还将继续扩大本专利技术的专利技术目的之一是提供一种MCrAlYX粉末材料制备的涂层的制备方法，包含涂层喷涂制备与涂层扩散热处理。具体步骤如下：1)基材预处理：对基体材料表面进行喷砂、清洗、干燥；2)喷涂：采用超音速火焰、真空或低压等离子喷涂技术在基材表面制备涂层；喷涂前对基材进行预热，预热温度在150～800℃；喷涂过程中，通过控制送粉速率、喷涂距离、喷枪功率、载气流量、燃气/燃油流量，制得喷涂态涂层。3)真空高温固溶热处理：在真空炉内，控制真空度小于0.1Pa，采用氦气、氩气、氮气中的一种或多种惰性气体进行保护；涂层与基体材料随炉升温至1000～1300℃内某一特定温度，保温0.5～10小时；保温结束后，涂层与基体材料随炉降温，降温速率不超过10℃/分钟；如需进行真空析出热处理，进入步骤4)；如无需进一步其他温度真空热处理，可在温度降低至600℃以内时，选择性地减少或去除惰性气氛，改用空气，并继续随炉冷却材料。作为优选，所述真空高温固溶热处理，使用1100～1200℃内某一特定温度作为保温温度，保温1～5小时。4)析出热处理：该热处理可在真空或大气环境中进行。采用真空析出热处理工艺时，参照步骤1)中流程获得炉体真空度，材料随炉加热至800～1000℃并保温5～30小时；保温后操作亦参照步骤1)。采用大气析出热处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MCrAlYX粉末材料，其特征在于，M为Ni和Co元素，X为Hf、Si、镧系元素、Ta或Re元素中的一种或几种。

【技术特征摘要】
1.一种MCrAlYX粉末材料，其特征在于，M为Ni和Co元素，X为Hf、Si、镧系元素、Ta或Re元素中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的MCrAlYX粉末材料，其特征在于，当合金中Ni含量≥40％时，要求Co含量为5～15％，Cr含量为20～30％，Al含量为6～12％，Y含量为0.01～1.5％，元素X至少含有Ta或Re，Ta与Re总量为0.5～6％，其他X元素总量为0～1％。3.根据权利要求1所述的MCrAlYX粉末材料，其特征在于，当Ni含量≥40％时，Co含量为10～15％，Cr含量为22～25％，Al含量为8～10％，Y含量为0.3～0.6％，元素X为Ta与Re，Ta与Re总量为3～6％。4.根据权利要求1所述的MCrAlYX材料，其特征在于，当合金中Ni含量＜40％时，要求Co含量为25～35％，Cr含量为15～25％，Al含量为8～15％，Y含量为0.01～1.5％，元素X至少含有Ta或Re，Ta与Re总量为0.5～6％，其他X元素总量为0～1％。5.根据权利要求1所述的MCrAlYX粉末材料，其特征在于，当Ni含量＜40％时，Co含量为30～35％，Cr含量为18～22％，Al含量为9～11％，Y含量为0.3～0.6％，元素X为Ta与Si，Ta含量为3～6％，Si含量为0.1～0.3％。6.根据权利要求1所述的MCrAlYX粉末材料，其特征在于，MCrAlYX粉末材料为球形，流动性优于20s/50g，粉末内氧含量小于500ppm。7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的MCrAlYX粉末材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配料与投料：将含有所述MCrAlYX粉末材料所包含元素的单质或合金块材、板材或粉末原料，按MCrAlYX粉末材料元素含量进行配置，并投入熔炼炉内；原料一次性投入熔炼炉或者分批次投入熔炼炉；2)熔炼：控制熔炼炉环境真空度小于1Pa，使用氦气、氩气、氮气中的一种或多种作为保护性气体，利用感应加热原理加热炉内金属材料至其完全熔化并混合均匀；3)喷雾造粒：控制喷雾塔的真空度小于1Pa，使用氦气、氩气、氮气中的一种或多种作为保护性气体，打开与熔炼炉连接的阀门使熔液流入喷雾塔，同时采用氦气、氩...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月光，原慷，刘建明，章德铭，李正秋，马尧，高向宙，
申请(专利权)人：北京矿冶科技集团有限公司，北矿新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11