包含MCrAl-X涂覆层的涂层制造技术

涂覆基材包含基材(1)，该基材包含涂覆有涂层体系(7)的金属基材表面(11)，该涂层体系包含功能涂覆膜(5)或由其构成，所述功能涂覆膜(5)由至少一个MCrAl‑X涂覆层构成或包含至少一个MCrAl‑X涂覆层，其中，该至少一个MCrAl‑X涂覆层被直接沉积在该金属基材(11)上，或者该至少一个MCrAl‑X涂覆层被沉积在由至少一个基材匹配层(31)形成的中间涂覆层(3)上，其中，该至少一个基材匹配层(31)被直接沉积在该金属基材表面(11)上，其中，直接沉积在该金属基材表面(11)上的层，即分别是指在其被直接沉积在该金属基材表面(11)上情况下的MCrAl‑X涂覆层或者在其被沉积在该金属基材表面(11)上情况下的基材匹配层(31)，显示出部分或完全外延生长或者部分或完全异质外延生长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含MCrAl-X涂覆层的涂层本专利技术涉及新型涂层体系，其包含通过使用物理气相沉积技术所合成的至少一个MCrAl-X涂覆层，该涂层可适用于保护金属基材，尤其是保护涡轮机部件。本专利技术的主要目的是允许合成如下涂层，其形成出色的与“金属基材”的界面并且能暴露在接近基材材料熔点的温度而不会脱层。本说明书和本专利技术上下文所用的术语“金属基材”是指由显示出金属性能的材料如镍基合金或铝化镍制造的基材。例如，根据本专利技术的涂层可以设置在涡轮机叶片尖的表面上以改善这些涡轮机叶片尖的性能。这样一来，根据本专利技术，在工作中接触到可磨耗材料(擦磨)的叶片尖表面通过在工作前提供的涂层被保护以免机械磨损和腐蚀。此外，根据本专利技术的涂层可以提供金属基材的显著改善。尤其是，用由镍基合金或铝化镍构成的或含有镍基合金或铝化镍的材料制造的涡轮机叶片在根据本专利技术被涂覆之后显示出明显增强的抗氧化能力。本专利技术涂层的沉积通过物理气相沉积(PVD)方法执行，例如像阴极电弧蒸镀、溅射或高功率脉冲化溅射(通常称为高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)或高功率脉冲化磁控溅射(HPPMS))，优选通过阴极电弧蒸镀。本专利技术提供一种新型的、创新的且非常有用的涂层7，其包括功能涂覆膜5，其中，该功能涂覆膜5由通过使用物理气相沉积技术所合成的至少一个MCrAl-X涂覆层5形成，如在图1a、图1b和图1c中示意性所示的那样。可选地，涂层7可以包含一个沉积在功能涂覆膜5之上的顶涂覆膜10，如图1b所示。根据本专利技术的一个优选实施例，本专利技术的涂层体系7包含功能涂覆膜5和中间涂覆膜3，其中，中间涂覆膜3被沉积在金属基材1的表面11上，使得中间涂覆膜3沉积在表面11和功能涂覆膜5之间，其中，该功能涂覆膜5由至少一层MCrAl-X涂覆层形成，而中间涂覆膜3由至少一个基材匹配层31形成，所述基材匹配层由与金属基材1的表面11材料相匹配的材料形成。可选地，中间涂覆膜3可以包含沉积在基材匹配层31上的扩散阻挡层33，该基材匹配层直接沉积在金属基材1的表面11上，如图1c所示。在至少一个MCrAl-X涂覆层已经构成基材匹配层的情况下，因为MCrAl-X涂覆层的元素组成和金属基材的元素组成相似并且MCrAl-X涂覆层的元素组成满足了如本说明书所限定的基材匹配层元素组成的标准，故MCrAl-X涂覆层可以被直接沉积在金属基材表面而不使用任何中间涂覆膜，如图1所示。在本专利技术上下文中的金属基材(因此涂覆有本专利技术涂层的金属基材表面)优选由以下材料之一构成：-超合金，-镍基超合金如因康镍合金(如因康镍718)，-铝化物，更优选是铝化镍。根据本专利技术，基材匹配层31可以例如包含与待涂覆的金属基材表面11相同的或相似的化学组成。优选地，它也可以包含相同的或相似的晶体结构，伴随优选为5％的晶格参数中的最大失配，更优选是小于5％。在上述材料被用作金属基材表面11的情况下，则根据本专利技术的基材匹配层31例如可以是如下情况：-在超合金基材表面情况下：涂覆层含有与超合金基材材料相同的或相似的化学组成。例如在因康镍合金的基材金属基材表面11情况下，合适的基材匹配层31可以是Ni-Cr层。-在铝化镍情况下：合适的基材匹配层31可以是Ni-Al层。如已经上述地，采用与金属基材表面11中的这些元素组成相比相似的存在于匹配层31中的元素组成是有益的。同样，如果该涂层包含或由至少一个MCrAl-X层构成并且所述至少一个MCrAl-X层直接沉积在金属基材表面，则采用与存在于金属基材表面中的这些元素组成相比相似的存在于MCrAl-X层(直接沉积在金属基材表面的)中的元素组成是有益的。术语相比于存在于金属基材表面中的这些元素的组成的存在于基材匹配层或MCrAl-X层(如果直接沉积在金属基材表面上的话)中的元素的“相似组成”是有益的在本专利技术的上下文中是指基材材料的主要组成或主要两种组成(全都按照重量百分比测定)。为了更好地解释主要组成或这些主要组成所指何意，将采用如图11所示的表1。参见表1(图11所示)，这意味着，对于超合金1基材材料和对于超合金2基材材料来说，元素Ni是主要组成。如果涉及到两种主要组成，则对于超合金1基材材料，元素Ni和Cr是主要组成，而对于超合金2基材材料，Ni和Co是主要组成。就此而言，相似组成意味着该基材中的这个或这些主要组成的浓度与基材匹配层或直接沉积在基材表面上的MCrAl-X涂覆层的这个或这些主要组成的浓度就成分而言相差不超过30％(重量％)，优选不超过10％(重量％)。它意味着，至少形成金属基材，尤其是所涂覆的金属基材表面的材料的主要组成或优选是主要两种组成必须存在于基材匹配层或者直接沉积在金属基材表面上的MCrAl-X层中，并且必须满足关于“相似组成”的上述标准的要求。又参见表1(图11所示)，可以看到NiCrAlY1满足关于针对超合金基材1和2的镍含量的这一要求。但是，对于NiCrAlY2的镍含量以及对于铬含量、钴含量就不是这样的情况。但是，NiCrAlY3满足了对于针对超合金1的镍和铬以及对于针对超合金2的镍的这一要求。这意味着，NiCrAlY1和NiCrAlY3可以被直接沉积到超合金基材1和2上，而NiCrAlY2需要匹配层并且形成达到MCrAlY涂层组成的组成梯度。此外，如也已经上述的那样，优选地，基材匹配层31和该材料1的金属表面11具有相同的晶体结构或相似的晶体结构，如果晶格参数中的最大失配是5％则被定义为相似的。在MCrAl-X层直接沉积在基材表面而没有使用任何中间涂覆层的情况下，于是也可能适用的是MCrAl-X层和材料1的金属表面11都具有相同的晶体结构或相似的晶体结构，如果晶格参数中的最大失配是5％则被定义为是相似的。假定至少其中一个上述条件如基材和匹配层或MCrAl-X层之间的组成和/或晶体结构的相似度得到满足，出乎意料地发现了能在基材与层之间的界面中实现匹配层的外延生长或者MCrAl-X层的异质外延生长。换句话说，这种外延生长或异质外延生长意味着基材与层之间的晶体类型和结构被保持并且界面是共格的。为了定义术语外延、异质外延和共格，参考L.B.Freund和S.Suresh的书籍“薄膜材料：应力、缺陷形成和表面演变”，剑桥，剑桥大学出版社，2003。有不同的方法来研究用于外延生长或异质外延生长的界面。界面横截面的透射电子显微术是一个用于研究基材与层之间的晶格面的取向的方法。另一个方法是具有晶体取向成像功能的所谓的电子背散射衍射(EBSD)。在图10中示出了在单晶超合金基材(PWA1483-SX)和NiCrAlY1之间的界面的横截面。在所述基材和层之间的界面由虚线标示。在界面上方的、在此观察到伴随相同的晶体取向的层生长的这些区域由圆圈标记。可以在界面的大范围内观察到共格生长，并且共格生长的厚度一般在200纳米至2微米之间。该共格生长的获得是源于在超合金基材1上沉积NiCrAlY1。这意味着已经在沉积过程中获得，即原位获得该共格界面。表1(图11所示)示出了，对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂覆基材，包含基材(1)，该基材包含涂覆有涂层体系(7)的金属基材表面(11)，该涂层体系包含功能涂覆膜(5)或由其构成，所述功能涂覆膜(5)由至少一个MCrAl-X涂覆层构成或包含至少一个MCrAl-X涂覆层，其特征是，/n·所述至少一个MCrAl-X涂覆层被直接沉积在所述金属基材(11)上，或者/n·所述至少一个MCrAl-X涂覆层被沉积在由至少一个基材匹配层(31)形成的中间涂覆层(3)上，其中，所述至少一个基材匹配层(31)被直接沉积在所述金属基材表面(11)上，/n其中，直接沉积在该金属基材表面(11)上的层，即分别是指在其被直接沉积在所述金属基材表面(11)上情况下的MCrAl-X涂覆层或者在其被沉积在所述金属基材表面(11)上情况下的基材匹配层(31)，显示出：/n·部分或完全外延生长，或者/n·部分或完全异质外延生长。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180424 US 62/661,8171.一种涂覆基材，包含基材(1)，该基材包含涂覆有涂层体系(7)的金属基材表面(11)，该涂层体系包含功能涂覆膜(5)或由其构成，所述功能涂覆膜(5)由至少一个MCrAl-X涂覆层构成或包含至少一个MCrAl-X涂覆层，其特征是，
·所述至少一个MCrAl-X涂覆层被直接沉积在所述金属基材(11)上，或者
·所述至少一个MCrAl-X涂覆层被沉积在由至少一个基材匹配层(31)形成的中间涂覆层(3)上，其中，所述至少一个基材匹配层(31)被直接沉积在所述金属基材表面(11)上，
其中，直接沉积在该金属基材表面(11)上的层，即分别是指在其被直接沉积在所述金属基材表面(11)上情况下的MCrAl-X涂覆层或者在其被沉积在所述金属基材表面(11)上情况下的基材匹配层(31)，显示出：
·部分或完全外延生长，或者
·部分或完全异质外延生长。


2.根据权利要求1所述的涂覆基材，其特征是，所述金属基材表面(11)的材料是超合金或铝化镍。


3.根据权利要求2所述的涂覆基材，其特征是，所述金属基材表面(11)的材料是镍基超合金或钴基超合金或镍/钴基超合金类型的超合金。


4.根据前述权利要求1至3之一所述的涂覆基材，其特征是，该MCrAl-X涂覆层包含至少两个亚层，即第一亚层和第二亚层，其中，所述第一亚层最接近所述金属基材表面(11)来沉积，所述第二亚层被沉积在所述第一亚层上，其中，所述第一亚层和第二亚层都包含相同的元素，但所述第二亚层含有比所述第一亚层更高的铝含量。


5.根据权利要求4所述的涂覆基材，其特征是，所述MCrAl-X层包含至少两个亚层，即第一亚层和第二亚层，其中，所述第二层含有氧并因此是MCrAl-X-O层。


6.根据前述权利要求4至5之一所述的涂覆基材，其特征是，在仅考虑按照原子百分比的金属组成M、Cr和Al浓度的情况下，相比于所述第一亚层，所述第二亚层中的铝浓度是两倍。


7.根据前述权利要求5至6之一所述的涂覆基材，其特征是，所述第二亚层中的氧逐渐增加。


8.根据前述权利要求5至7之一所述的涂覆基材，其特征是，所述第二亚层中的铝逐渐增加。


9.根据前述权利要求1至8之一所述的涂覆基材，其特征是，在所述MCrAl-X层中，并且如果存在，则在所述MCrAl-X-O材料中也存在：
-M是Ni或Co或Ni-Co，并且
-X是Y或Er或Zr。


10.根据前述权利要求5至9之一所述的涂覆基材，其特征是，存在于所述功能涂覆膜(5)中的MCrAl-X-O材料的至少一层具有通过使用纳米压痕技术测定的在18GPa至35GPa+/-2GPa范围内的压痕硬度(HIT)，该范围包含端点值18GPa和35GPa。


11.根据前述权利要求5至9之一所述的涂覆基材，其特征是，存在于所述功能涂覆膜(5)中的MCrAl-X材料的至少一层具有通过使用纳米压痕技术测定的9GPa+/-2GPa的压痕硬度(HIT)。

【专利技术属性】
技术研发人员：尤尔根·拉姆，贝诺·维德里希，奥利弗·雅里，奥利弗·胡诺尔德，
申请(专利权)人：欧瑞康表面处理解决方案股份公司普费菲孔，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH