一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法，属于金属防护涂层技术领域，主要目是解决氧化硅与高温合金的界面问题，具体包括以下步骤：第一步优化涂层和预氧化技术，减少氧化硅的生成，最大化惰性氧化膜中氧化铝的含量；第二步是利用高熔点金属涂层,高熔点金属涂层沉积在型芯惰性氧化膜的表面,利用氧化硅在真空、高温环境中与沉积金属元素发生化学反应和扩散,形成更加稳定界面类型,从而大幅提高界面的稳定性，涂层结构为金属间化合物层/惰性氧化层/金属涂层。本发明专利技术可用于精密铸造领域，用于空心叶片的生产。用于空心叶片的生产。

【技术实现步骤摘要】
一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法


[0001]本专利技术涉及金属防护涂层
，具体涉及一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶片是航空发动机、燃气轮机的热端关键部件之一，叶片的承温能力越高，工作效率越高。为了提高工作效率，叶片从材料和结构方面进行改善，叶片材料熔点越高，则工作效率越高，然而叶片的工作温度已经超过高温合金的熔点，材料的承温能力已经非常接近极限；另一方面，则设计叶片的结构，叶片的空心结构不能通过机械加工形成，只能在浇注叶片前预先放置精密铸造型芯，然后通过化学腐蚀手段去除型芯，进而达到空心结构，通入冷却空气带走热量，实现了空气冷却，空气冷却能有效的提高叶片的使用温度，因此冷却效率对于涡轮叶片尤为重要。
[0003]随着冷却技术和铸造工艺的发展，铸造型芯的使用性能要求越来越高，目前陶瓷型芯为追求高的冷却效率，冷却通道设计的更加精细和复杂，相应的尺寸更加精细、细小。但是陶瓷型芯细小部位性能会下降，尤其是强度、抗热冲击能力都会下降，因此陶瓷材料由自身的性质尺寸会受到限制。为了解决该部分陶瓷材料的问题，因此采用钼基金属型芯替代细小的陶瓷型芯的部分，进而制备出具有更加先进的冷却结构的陶瓷-金属复合型芯，然而钼基金属型芯应用的关键，则是合理设计钼合金的防护涂层。
[0004]钼基金属型芯的制备、服役过程，通过在钼基金属型芯预先沉积金属间化合物层，然后预氧化形成惰性氧化物涂层，经过一系列的精密铸造过程，包括型芯组装、制备蜡模、型壳、脱蜡等，陶瓷模组进入定向炉中，抽真空，升温至1000℃～1300℃保温，然后升温到1500℃～1650℃，保温一段时间，然后浇注高温合金，保持一定速率抽出，待冷却后取出，去壳、脱芯。
[0005]如图1(a)所示，在1550℃浇注DSM11高温合金后，涂层能够抵抗住合金的侵蚀，保护住钼基金属型芯的基体，但DSM11合金表面会发生严重的界面反应(如图1(b)所示),这可能是由于氧化硅在高于1550℃时与高温合金中的活性元素Al、Cr、Ti等发生化学反应，造成氧化硅黏连在铸造件表面，造成表面缺陷(如图2)。为了避免氧化硅的影响，有必要提高金属型芯涂层界面的稳定性和铸造件的表面质量。

技术实现思路

[0006]为了解决金属钼型芯的惰性氧化物层中氧化硅与高温合金的界面不稳定问题，本专利技术提供一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法，该方法能够减少惰性氧化物中氧化硅的含量，并能利用高熔点金属元素稳固涂层中的氧化硅，从而提高涂层的界面稳定性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法，该方法是在钼基金属型芯表面制备涂层过程中，通过优化涂层成分和预氧化技术提高型芯与涂层之间界面的稳定性；该方法具
体包括如下步骤：
[0009](1)以纯钼或钼合金作为金属型芯基体，采用化学气相沉积或原位化学气相沉积工艺在型芯基体上进行硅、铝元素的共沉积(在加热炉或化学气相沉积炉中进行)，沉积温度为900℃-1300℃，沉积时间为2h～30h；沉积结束后以1～15℃/min的降温速率降温到800℃，然后关闭加热系统，随炉冷却至室温，即在基体上形成含铝硅的复合涂层。
[0010](2)预氧化处理：对步骤(1)沉积有涂层的型芯基体进行预氧化处理，处理过程为：先通入空气或氧气，控制流量在1～100sscm，然后升温至1000-1100℃，保温1h～5h；再以1～15℃/min的升温速率升温至1200～1400℃，保温1～8h；保温结束后打开真空系统进行抽真空或通入惰性气体，使炉内氧气的浓度下降，并关闭加热系统，随炉冷却。
[0011](3)在步骤(2)预氧化处理后的试样表面沉积高熔点金属涂层，沉积方式为电弧离子镀、电镀、磁控溅射、真空蒸镀、化学气相沉积等；所述高熔点金属涂层的熔点高于1600℃。
[0012]上述步骤(1)中，所述金属型芯基体在使用前先进行预处理，过程为：先采用240#-800#砂纸进行打磨，然后依次在去离子水和无水酒精中清洗，烘干后备用。
[0013]上述步骤(1)中，进行硅、铝元素的共沉积时，由于铝硅元素的差异，涂层首先形成低熔点铝化物涂层，然后转化(全部或一部分)为高熔点硅化物涂层。
[0014]上述步骤(1)中，进行硅、铝元素的共沉积时，首先在基体上形成含铝金属间化合物层，然后再在金属间化合物层上形成惰性氧化物层(氧化铝和氧化硅)；复合涂层的总厚度大于30μm，低熔点相能够在后期预氧化过程中消失。
[0015]上述步骤(3)中，所述高熔点金属涂层为铬、铪、铱、或铂涂层。
[0016]上述步骤(1)中，在型芯基体上进行硅、铝元素的共沉积时，还可以同时沉积铬、锆、钛和镁元素中的一种或几种。
[0017]上述步骤(2)中，预氧化之后，在降温过程中随炉冷却至500℃以下取出。
[0018]上述步骤(3)中，沉积的金属涂层厚度为0.1μm-20μm。
[0019]本专利技术的设计机理如下：
[0020]本专利技术首先采用铝、硅元素共沉积在钼基金属型芯基体上制备复合涂层，复合涂层结构为基体/金属间化合物层/惰性氧化层/金属涂层；共沉积时，由于Al和Si元素自身特点的差异，导致在沉积的过程呈现出不同的差异，Al的熔点660℃，Si的熔点为1414℃，在1000℃条件下Al的活性高于Si的活性，涂层首先沉积Al出现Al8Mo3相，随着温度升高，Si的活性升高，Si在基体的扩散系数变大(Dsi＞D
Al
)，Si的含量上升取代Al8Mo3出现Mo(Si,Al)2，直至Al8Mo3部分或全部变为Mo(Si,Al)2，甚至最内层为MoSi2。因此涂层首先形成低于1600℃的低熔点Al8Mo3相，然后出现高于1600℃的改性硅化物相(Mo(Si,Al)2和MoSi2)。再采用预氧化技术，预氧化技术中氧化膜生长过程为多级阶梯升温氧化，在降温过程中随炉冷却至500℃以下取出。预氧化技术的温度必须高于1000℃以上，以保证涂层中可能残存的低熔点Al8Mo3相在高温下分解且要保证在预氧化过程中消失，其总涂层厚度在30μm以上。预氧化技术中，氧化膜中氧化铝含量达到最大后，进行抽真空或通入氩气降低氧气浓度，保护样品；
[0021]最后将高熔点金属涂层沉积在金属型芯的表面,在真空、高温的环境中利用元素化学反应和扩散,形成更加稳定界面类型,降低氧化硅的影响,从而提高界面的稳定性。高
熔点涂层金属熔点在1600℃以上，保证高熔点金属涂层在未浇注高温合金之前不发生融化，浇注高温合金后，该金属进入合金熔体后不产生影响或提高合金的性能。
[0022]本专利技术的有益的结果如下：
[0023]1、通过在涂层中添加活性元素，调整涂层结构，保证涂层抵抗高温合金的侵蚀的作用，涂层的强韧性明显增强，与基体界面结合力增加。
[0024]2、通过优化控制预氧化参数(时间、温度、氧气浓度)，使涂层中氧化铝的含量达本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高金属型芯涂层界面稳定性的方法，其特征在于：该方法是在钼基金属型芯表面制备涂层过程中，通过优化涂层成分和预氧化技术提高型芯与涂层之间界面的稳定性；该方法具体包括如下步骤：(1)以纯钼或钼合金作为金属型芯基体，采用化学气相沉积或原位化学气相沉积工艺在型芯基体上进行硅、铝元素的共沉积，沉积温度为900℃-1300℃，沉积时间为2h～30h；沉积结束后以1～15℃/min的降温速率降温到800℃，然后关闭加热系统，随炉冷却至室温，即在基体上形成含铝硅的复合涂层；(2)预氧化处理：对步骤(1)沉积有涂层的型芯基体进行预氧化处理，处理过程为：先通入空气或氧气，流量控制在5～100sscm，然后升温至1000-1100℃，保温1h～5h；再以1～15℃/min的升温速率升温至1200～1400℃，保温1～8h；保温结束后打开真空系统进行抽真空或通入惰性气体，使炉内氧气的浓度下降，并关闭加热系统，随炉冷却；(3)在步骤(2)预氧化处理后的试样表面沉积高熔点金属涂层，沉积方式为电弧离子镀、电镀、磁控溅射、真空蒸镀或化学气相沉积等；所述高熔点金属涂层的熔点高于1600℃。2.根据权利要求1所述的提高金属型芯涂层界面稳定性的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述金属型芯基体在使用前先进行预处理，过程为：先采...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恩泽，张冲，郑志，宁礼奎，佟健，纪慧思，谭政，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：