專利名稱：采用多弧離子鍍制備以Cr² AlC為主相的高溫防護(hù)涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫防護(hù)涂層的制備技術(shù)，特別提供了一種采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的新型高溫防護(hù)涂層的方法。
背景技術(shù)：
Cr2AlC由于同時具有良好的抗高溫氧化和抗 熱腐蝕性能以及與合金相匹配的熱膨脹系數(shù)(Cr2AlC在30-1200° C溫度范圍的熱膨脹系數(shù)為13. 3X KT6IT1),從而在高溫防護(hù)涂層領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。到目前為止，采用磁控濺射技術(shù)可以制備Cr2AlC涂層。對磁控濺射制備的Cr2AlC涂層進(jìn)行高溫氧化實(shí)驗(yàn)表明，由于氧化過程中最外層連續(xù)、致密的Al2O3氧化膜的生成，Cr2AlC涂層可以有效的改善 6242以及M38G高溫合金的抗氧化性能。但是，由于利用濺射的方法所制備的涂層厚度較薄以及涂層中存在大量柱狀晶晶界，在氧化的過程中涂層會發(fā)生嚴(yán)重的退化，從而導(dǎo)致涂層抗氧化性能的下降。其次，為了獲得晶態(tài)的Cr2AlC涂層，沉積溫度必須高于450° C。由于高溫臺的使用，使得磁控濺射沉積效率大大降低，成本增加。因此，如何提高Cr2AlC的沉積速率，同時消除涂層中的柱狀晶結(jié)構(gòu)，成為實(shí)現(xiàn)Cr2AlC涂層工業(yè)化應(yīng)用的一個重要的方向。不同于磁控濺射，多弧離子鍍通過陰極弧斑使靶材局部蒸發(fā)并離化，這種方法具有入射離子能量高、涂層的致密性好和沉積速率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前還沒有關(guān)于利用這種方法制備Cr2AlC涂層的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的新型高溫防護(hù)涂層Cr-Al-C涂層的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)在氧化的過程中涂層會沿柱狀晶晶界發(fā)生內(nèi)氧化，導(dǎo)致涂層抗氧化性能的下降，以及現(xiàn)有的Cr2AlC涂層制備成本高且無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生
產(chǎn)等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層的方法，具體步驟如下I)靶材的選擇采用燒結(jié)的塊體Cr2AlC作為靶材；或者，以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 I. I I. 2 :0. 9 I. 2混合粉作為初始原料，經(jīng)熱壓制成的致密塊體作為靶材。該種Cr-Al-C靶材的制備方法為選用Cr、Al和石墨粉作為原料粉，原料粉經(jīng)過球磨20 24小時，以5 20MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時間為5 30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護(hù)氣的熱壓爐中升溫至900 1100° C原位反應(yīng)10 60分鐘。在原位反應(yīng)同時進(jìn)行熱壓，熱壓壓力為20 40MPa，合成致密的塊體陶瓷材料。2)制備工藝實(shí)驗(yàn)過程中，所采用的背底真空為I X 10_3Pa_3X 10_3Pa，將預(yù)先處理好的基體材料進(jìn)行反濺清洗3-10min后即可開始涂層的制備。涂層制備過程中，所選用的Ar氣流量為20 40SCCM，工作氣壓為O. 2 O. 6Pa，沉積溫度為室溫，靶材電流為50 70A。在該種工藝條件下，涂層沉積速率達(dá)到O. 3-0. 5 μ m/min。隨后，將沉積得到的樣品在Ar氣氣氛中經(jīng)620° C 650° C退火處理10 20h，即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層。采用本方法制備的Cr-Al-C涂層中的主相為結(jié)晶良好的三元層狀陶瓷Cr2AlC15此夕卜，還伴隨著AlCr2和Cr7C3的出現(xiàn)，涂層中主相Cr2AlC約占60_70wt. %。本發(fā)明的特點(diǎn)是I、本發(fā)明的工藝簡單、涂層制備成本低，直接采用單個燒結(jié)的塊體作為靶材在室溫下沉積。2、本發(fā)明通過多弧離子鍍和后續(xù)的退火處理相結(jié)合的方法，制備得到了以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層。 3、利用本發(fā)明方法制備的Cr-Al-C涂層比較致密且沉積速率高。4、利用本發(fā)明方法制備的Cr-Al-C涂層具有良好的高溫抗氧化能力，在1000° C空氣中氧化的過程中，可以提高M(jìn)38G高溫合金的抗氧化性能。


圖I靶材電流為60A時(a)沉積態(tài)和(b)退火后的Cr-Al-C涂層的XRD結(jié)果。圖2靶材電流為60A時(a)沉積態(tài)和(b)退火處理后Cr-Al-C涂層的SEM表面形貌圖。圖3靶材電流為60A時(a)沉積態(tài)和(b)退火處理后Cr-Al-C涂層的SEM截面形貌圖。圖4退火處理后的Cr-Al-C涂層和M38G高溫合金在1000° C空氣中氧化20h的動力學(xué)曲線。圖5靶材電流為70A時(a)沉積態(tài)和(b)退火后的Cr-Al-C涂層的XRD結(jié)果。圖6采用Cr，Al和石墨元素粉在1000° C熱壓燒結(jié)的致密的塊體作為在靶材，在電流為70A得到的涂層經(jīng)620° C退火20h后的Cr-Al-C涂層的XRD結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例I采用多弧離子鍍方法，同時以采用原位燒結(jié)/固液反應(yīng)制備的塊體Cr2AlC作為靶材在室溫下沉積制備了 Cr-Al-C涂層。涂層制備過程中總的背底真空為2X 10_3Pa、Ar氣流量為40SCCM、工作氣壓為O. 4Pa、施加在靶材上的電流為60A、沉積時間為15min，在不同的基體上可以制備得到非晶的Cr-Al-C涂層。所制備的涂層經(jīng)620°C Ar氣保護(hù)下退火20h即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層，同時還伴隨著AlCr2和Cr7C3的生成。本實(shí)施例中，主相Cr2AlC的含量約占69wt. %。沉積態(tài)和退火后的Cr-Al-C涂層的X-射線衍射圖譜列于附圖1，由圖I可以看出沉積所得到的涂層呈現(xiàn)非晶態(tài)，經(jīng)過620° C退火后，涂層發(fā)生了晶化。晶化后得到的涂層中以Cr2AlC為主相。
圖2分別為沉積態(tài)和退火后Cr-Al-C涂層的SEM表面形貌圖。沉積態(tài)和退火后的Cr-Al-C涂層表面比較光滑、致密且沒有裂紋的存在。圖3分別為沉積態(tài)和退火后的Cr-Al-C涂層的SEM截面形貌圖。沉積態(tài)和退火后的Cr-Al-C涂層保持完整致密，涂層厚度約為6 μ m。圖4為退火處理后的Cr-Al-C涂層和M38G高溫合金在1000° C空氣中氧化20h的動力學(xué)曲線。在氧化8h后，退火后的Cr-Al-C涂層具有較小的氧化增重(AW/A)，可以改善M38G高溫合金的抗氧化性能。實(shí)施例2采用多弧離子鍍方法，同時以采用原位燒結(jié)/固液反應(yīng)制備的塊體Cr2AlC作為靶材在室溫下沉積制備了 Cr-Al-C涂層。涂層制備過程中總的背底真空為2X 10_3Pa、Ar氣流量為40SCCM、工作氣壓為O. 4Pa、施加在靶材上的電流為70A、沉積時間為15min。在不同的基體上可以制備得到非晶的Cr-Al-C涂層，所制備的涂層經(jīng)620°C Ar氣保護(hù)下退火20h 即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層，同時還伴隨著AlCr2和Cr7C3的生成。本實(shí)施例中，主相Cr2AlC的含量約占67wt. %。相應(yīng)的沉積態(tài)和退火后的Cr-Al-C涂層的X-射線衍射圖譜列于附圖5，涂層厚度約為7. 5μπι。實(shí)施例3采用多弧離子鍍方法，同時以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 :1. I I. 2 :
O.9 I. 2混合粉作為初始原料，經(jīng)熱壓制成的致密塊體作為靶材在室溫下沉積制備了Cr-Al-C涂層選用Cr、Al和石墨粉作為原料粉，原料粉經(jīng)過球磨20 24小時，以10 15MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時間為15 20分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體Ar作為保護(hù)氣的熱壓爐中升溫至950 1000° C原位反應(yīng)30 40分鐘；在原位反應(yīng)同時進(jìn)行熱壓，熱壓壓力為25 30MPa，合成致密的塊體陶瓷材料，作為Cr-Al-C靶材。涂層制備過程中背底真空為2X 10_3Pa、Ar氣流量為40SCCM、工作氣壓為O. 4Pa、施加在靶材上的電流為70A、沉積時間為15min。在不同的基體上可以制備得到非晶的Cr-Al-C涂層。所制備的涂層經(jīng)620°C Ar氣保護(hù)下退火20h即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層，同時還伴隨著AlCr2和Cr7C3的生成。本實(shí)施例中，主相Cr2AlC的含量約占61wt. %。退火后的Cr-Al-C涂層的X-射線衍射圖譜列于附圖6，涂層厚度約為7 μ m。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明方法以燒結(jié)的Cr2AlC塊體材料作為靶材；或者以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 :1. I I. 2 :0. 9 I. 2混合粉作為初始原料，經(jīng)熱壓制成的致密塊體作為靶材。利用多弧離子鍍技術(shù)和后續(xù)的退火處理，即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層。這種方法具有制備成本低、工藝簡單、沉積速率快等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化沉積Cr2AlC涂層奠定了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的高溫防護(hù)涂層的方法，其特征在于，具體步驟如下 1)靶材的選擇 采用燒結(jié)的塊體Cr2AlC作為靶材；或者，以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為2 I. I I. 2 :0. 9 I. 2混合粉作為初始原料，經(jīng)熱壓制成的致密塊體作為Cr-Al-C靶材； 2)制備工藝 涂層制備過程中，所選用的Ar氣流量為20 40SCCM，工作氣壓為O. 2 O. 6Pa，沉積溫度為室溫，靶材電流為50 70A ;隨后，將沉積得到的樣品在Ar氣氣氛中經(jīng)620° C 650° C退火處理10 20h，即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C高溫防護(hù)涂層。
2.按照權(quán)利要求I所述的采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的高溫防護(hù)涂層的方法，其特征在于，Cr-Al-C高溫防護(hù)涂層中的主相為結(jié)晶良好的三元層狀陶瓷Cr2AlC,還伴隨著AlCr2和Cr7C3的出現(xiàn)；其中，主相Cr2AlC的含量為60_70wt. %。
3.按照權(quán)利要求I所述的采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的高溫防護(hù)涂層的方法，其特征在于，Cr-Al-C靶材的制備方法為選用Cr、Al和石墨粉作為原料粉，原料粉經(jīng)過球磨20 24小時，以5 20MPa的壓力冷壓成餅狀，冷壓時間為5 30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護(hù)氣的熱壓爐中升溫至900 1100° C原位反應(yīng)10 60分鐘；在原位反應(yīng)同時進(jìn)行熱壓，熱壓壓力為20 40MPa，合成致密的塊體陶瓷材料，作為Cr-Al-C 靶材。
4.按照權(quán)利要求I所述的采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的高溫防護(hù)涂層的方法，其特征在于，實(shí)驗(yàn)過程中，所采用的背底真空為I X 10_3Pa-3 X 10 ,將預(yù)先處理好的基體材料進(jìn)行反濺清洗3-10min后即可開始涂層的制備。
5.按照權(quán)利要求I所述的采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的高溫防護(hù)涂層的方法，其特征在于，在該種工藝條件下，涂層沉積速率達(dá)到O. 3-0. 5 μ m/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及高溫防護(hù)涂層的制備技術(shù)，特別提供了一種采用多弧離子鍍制備以Cr2AlC為主相的新型高溫防護(hù)涂層的方法。采用原位固液相反應(yīng)/熱壓方法合成的塊體Cr2AlC作為靶材;或者以Cr、Al、C三種元素粉按照摩爾比為21.1～1.20.9～1.2混合粉作為初始原料，經(jīng)熱壓制成的致密塊體作為靶材。在背底真空為2×10-3Pa、Ar氣流量為20～40SCCM、工作氣壓為0.2～0.6Pa、施加在靶材上的電流為50～70A的條件下，在不同的基體上可以制備得到非晶的Cr-Al-C涂層。所制備的涂層經(jīng)620°C～650°C、Ar氣保護(hù)下退火10～20h即可得到以Cr2AlC為主相的Cr-Al-C涂層。這種方法具有制備成本低、工藝簡單、沉積速率高的優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有的Cr2AlC涂層制備成本高且無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的問題。
文檔編號C23C14/32GK102899612SQ201210352858
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者李美栓, 李靜靜, 劉智謀, 錢余海, 徐敬軍 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所