一种抗氧化性能优异的ＭＣｒＡｌＹ涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种抗氧化性能优异的ＭＣｒＡｌＹ涂层及其制备方法，采用等离子体辅助电子束物理气相沉积技术，通过控制基板温度、阳极放电电压、蒸发电流以及在基体上施加的偏压，制备出ＭＣｒＡｌＹ涂层，该涂层晶粒尺寸为１０－５０μｍ的等轴晶结构；涂层沿（１１１）密排方向取向强烈；涂层中孪晶尺寸为２００～５００ｎｍ；涂层中相沿生长方向成条状均匀分布，且β相尺寸小于１μｍ，形成了大量的相界面。该涂层在１１５０℃下使用时，高密度的孪晶和相界为Ａｌ元素向外快速扩散提供了通道，更易形成致密的α－Ａｌ２Ｏ３保护膜，同时减弱了基体元素外扩散对形成氧化膜的破坏作用，涂层抗氧化性能优异，较传统的ＥＢ－ＰＶＤ涂层抗氧化性能提高一个数量级。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高温合金涂层制备
，涉及一种具有新型结构的MCrAlY涂层 及其制备方法，更特别地说，是采用等离子体辅助电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备 MCrAlY涂层的方法。
技术介绍
对于现代燃气涡轮发动机而言，提高其工作效率的一个主要手段就是提升发动 机整体的燃烧工作温度。因而需要在高温工作部件的表面涂覆高温防护涂层，以提高高 温工作部件的抗氧化和抗腐蚀性能。MCrAlY(M = Co， Ni或Co+Ni)涂层是90年代以来 开始广泛使用的包覆涂层。MCrAlY涂层具有良好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，而且具 有良好的塑性，且成份选择具有多样性，如参考文献 :Bezencon， C. ， A. Schnell， et al. (2003). 〃 Epitaxiald印osition of MCrAlY coatings on a Ni-base superalloy by laser cladding. 〃 ScriptaMaterialia 49(7) :705-709。 参考文献 :Knotek， 0. ， E丄ugscheider， et al. (1995). 〃 Arc evaporation of multicomponent MCrAlY cathodes. 〃 Surface and CoatingsTechnology 74-75 (Part 1) :118-122。 参考文献 Schmitt-Thomas， K. G. and M. Hertter(1999). 〃 Improved oxidation resistance of thermal barrier coatings. 〃 Surface& Coatings Technology 121 :84_88。 目前MCrAlY涂层的制备方法主要有低压等离子喷涂(LPPS)，电子束物理气相沉 积以及多弧离子镀(AIP)。低压等离子喷涂制备MCrAlY涂层沉积效率高，成本低，但涂层结 合力差，孔隙率大，表面光洁度差；多弧离子镀制备的涂层主要由液滴堆积而成，存在孔隙， 且表面光洁度不高；电子束物理气相沉积方法沉积速度快，光洁度高，但沉积态涂层为柱状 晶，氧气及其它腐蚀性气氛易沿柱状晶晶界进入涂层内部，降低抗氧化和抗腐蚀性能，因而 需要后续的喷丸及真空热处理等工序，工序复杂，成本高。 当前国际上公认的提高MCrAlY涂层抗氧化性能的方法是进行表面晶粒细 化，获得纳米级晶粒尺寸的表面，如在文献Liu， Z. ， W.Gao， et al. (1997).〃 The effect of coatinggrain size on the selective oxidation behaviour of Ni_Cr_Al alloy" Scripta Materialia37 (10) :1551-1558.中采用磁控溅射沉积(MSD)或文献 Dragos，U. ，M. Gabriela，et al. (2005). 〃 Improvement of the oxidation behaviour of electron beam remelted MCrAlYcoatings. 〃 Solid State Sciences 7(4) :459-464. 中 采用脉冲电子束重熔(PEB)进行后处理等方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开。采用等 离子体辅助电子束物理气相沉积技术，通过控制基板温度、阳极放电电压、蒸发电流以及在 基体上施加的偏压，制备出一种同传统EB-PVD涂层微观结构不同的新型涂层，该涂层具有 优异的抗氧化性能。 所述的MCrAlY涂层可以沉积在包括铸造高温合金、定向铸造高温合金及单晶高温合金等各种高温合金基体上；所述的MCrAlY涂层晶粒尺寸为10-50 y m，为等轴晶结构；涂层沿(111)密排方向取向强烈，由于基体中难融元素沿(111)面扩散速度较慢，因而可以减缓基体元素外扩散的发生；涂层中具有高密度的孪晶结构，孪晶尺寸为200 500nm ;涂层中相沿生长方向成条状均匀分布，且P相尺寸细小，小于lPm，形成了大量的相界面。该涂层在115(TC下使用时，高密度的孪晶和相界为A1元素向外快速扩散提供了通道，更易形成致密的a -A1203保护膜，同时减弱了基体元素外扩散对形成氧化膜的破坏作用，涂层抗氧化性能优异，较传统的EB-PVD涂层抗氧化性能提高一个数量级。 所述的等离子体辅助电子束物理气相沉积MCrAlY涂层的方法，包含下列步骤 (1)准备蒸发料棒，备用； MCrAlY料棒的成份为M、铬、铝和钇，其重量百分比为19 35%的铬、6 12%的铝、0. 07 1.5X的钇，其余为M。所述的M为镍、钴、或者镍+钴。上述各成分总量为100%; (2)准备基体材料，并将其安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上； (3)将MCrAlY料棒放置在水冷铜坩埚中； (4)将真空室抽至所需的低于5X 10—3Pa真空度； (5)设定旋转基板架转速为10 20rpm，并用电子束加热基板850 102(TC，基板施加-100 -300V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，电子束电压17 19kV ; (6)预热蒸发料棒，调节电子束流1.4 1.8A，料棒上升速度为0.8 1.0mm/min，控制蒸发量； (7)蒸发稳定后，接通坩埚上方水冷电极圈的电压，引燃放电电弧，调整放电电压为10 30V，放电电流为100 500A ; (8)打开挡板，进行涂层沉积，当涂层厚度达到20 80 ii m后停止沉积； (9)关闭设备，取出沉积完毕基体材料； (10)对沉积完毕的涂层在1000 110(TC进行真空热处理4h，真空度不低于5X10—3Pa，制备结束。 采用本专利技术方法制得的MCrAlY涂层的优点在于涂层沿(111)密排方向取向强烈，由于基体中难融元素沿(111)面扩散速度较慢，因而可以降低基体元素外扩散对氧化膜的破坏作用；涂层中存在大量的孪晶结构，同时涂层中细小的Y ' /13相的均匀排列，涂层中的A1元素可以沿着孪晶界和相界快速扩散到涂层表面形成更为致密的a -A1203膜，在IIO(TC和105(TC下的氧化速率常数分别可以达到约9. 2X 10—7mg2cm—4s—1和1. 4X 10—7mg2cm—4s—、比相应高温条件下的传统EB-PVD涂层的氧化速率常数低约1个数量级。附图说明 图1是本专利技术中等离子体辅助电子束物理气相沉积设备简图； 图2是本专利技术中MCrAlY涂层沉积态和真空热处理4h后的XRD谱图； 图3是本专利技术中沉积态等离子体辅助EB-PVDMCrAlY涂层(a)和传统EB-PVDMCrAlY涂层(b)的表面形貌； 图4是本专利技术中沉积态涂层中孪晶的TEM形貌； 图5是本专利技术中沉积态等离子体辅助EB-PVD MCrAlY涂层的断口形貌； 图6是本专利技术中4h热处理后等离子体辅助EB-PVD NiCoCrAlY涂层(a)和传统EB-PVDNiCoCrAlY涂层(b)的截面形貌； 图7是本专利技术中IIO(TC等离子体辅助EB-PVD MCrAlY涂层(a)和传统EB-PVDMCrAlY涂层(b)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗氧化性能优异的ＭＣｒＡｌＹ涂层，其特征在于：所述的ＭＣｒＡｌＹ涂层晶粒尺寸为１０－５０μｍ，为等轴晶结构；涂层沿（１１１）密排方向取向强烈，涂层中具有高密度的孪晶结构，孪晶尺寸为２００～５００ｎｍ；涂层中β相沿生长方向成条状均匀分布，且β相尺寸细小，小于１μｍ，形成了大量的相界面；该涂层在１１５０℃下使用时，形成致密的α－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］保护膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，彭徽，姚锐，宫声凯，徐惠彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]