一種降低高溫合金與防護(hù)涂層界面元素互擴(kuò)散的方法
【專利摘要】一種降低高溫合金與防護(hù)涂層界面元素互擴(kuò)散的方法，以及所使用的多元MCrAlYX合金粉末及粉末、涂層制備方法，該合金粉末的化學(xué)組成及雜質(zhì)含量：Cr：15～32wt％；Al：3.0～10wt％；Y：0.1～3.0wt％；X：0～15％，X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一種或多種的組合；雜質(zhì)O：≤500ppm，N：≤50ppm，H：≤50ppm，C：≤200ppm；M余量，M是Fe、Co、Ni等合金元素。本發(fā)明解決了高溫環(huán)境下因微量元素?cái)U(kuò)散，基材使用溫度和力學(xué)性能下降的問題，以及多元MCrAlYX合金粉末制備過程中鋼液溫度過高引起的氧化物夾雜含量過高的問題。
【專利說明】一種降低高溫合金與防護(hù)涂層界面元素互擴(kuò)散的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱噴涂涂層材料領(lǐng)域，涉及一種降低新一代高溫合金與防護(hù)涂層基體 /界面互擴(kuò)散的MCrAlYX合金粉末、涂層及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 新一代高溫合金由于其優(yōu)秀的高溫機(jī)械性能，目前已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的首 選材料。為了進(jìn)一步提高其使用溫度和合金的高溫力學(xué)性能，我國新一代高溫合金（例如 DD6、DZ125、DZ40等）中加入了多種具有強(qiáng)化作用的稀土及難熔合金元素（例如Ti、Mo、Hf、 Re、Ta、Nb等），進(jìn)一步提高使用溫度（可提高50-100°C )和高溫力學(xué)性能，合金體系元素 種類已超過10種。MCrAlY(M :Co、Ni或Co+Ni)涂層具有優(yōu)良的高溫抗氧化和熱腐蝕性能， 是目前最常用的高溫合金用防護(hù)涂層材料，該材料具有噴涂后涂層組織均勻，結(jié)合強(qiáng)度高， 抗高溫氧化、耐烙鹽腐蝕性能優(yōu)越等特點(diǎn)，對(duì)提高新一代高溫合金葉片抗高溫氧化、抗熱腐 蝕性能和延長(zhǎng)葉片的使用壽命做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，高溫下，MCrAlY涂層與高溫合金基 體間不可避免會(huì)發(fā)生元素互擴(kuò)散，互擴(kuò)散雖然可提高涂層和基體之間的結(jié)合力，但目前廣 泛使用的MCrAlY涂層以4或5元合金體系為主，與基體合金材料體系10種元素）差 別較大，在擴(kuò)散過程中因基體和涂層微量元素濃度梯度差較大，會(huì)造成基體中強(qiáng)化元素含 量顯著下降，嚴(yán)重影響合金基體的高溫性能，如高溫抗氧化性能、高溫拉伸、高溫疲勞等力 學(xué)性能大幅度下降（320%)。
[0003] 多組元、成分均勻、氧含量及雜質(zhì)含量低是目前高溫防護(hù)用MCrAlY涂層材料的發(fā) 展趨勢(shì)，合金材料體系中除Ni、Co、Cr、Al、Y等合金元素外，同時(shí)還含有Ta、Hf、Ti、Nb、Re、 Si等元素。隨著添加上述微量強(qiáng)化元素，可以減小涂層材料與基體材料之間微量元素的濃 度梯度差，從而在不降低涂層高溫抗氧化及抗腐蝕性能的同時(shí)，可有效抑制基體中微量元 素向涂層擴(kuò)散。然而，隨著高熔點(diǎn)、難熔合金元素的添加，合金鋼液的熔點(diǎn)升高。霧化過程 中為了保證合金鋼液的流動(dòng)性及粉末的形貌、粒度大小及分布的控制，合金鋼液需具有一 定的過熱度，導(dǎo)致鋼液的霧化溫度更高，鋼液與熔煉坩堝之間的反應(yīng)加劇，從而使合金粉末 中氧化物夾雜含量升高，影響了涂層材料的使用性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種降低高溫合金與防護(hù)涂層界面元素互擴(kuò)散的方法，以及 所使用的多元MCrAlYX合金粉末及制備方法，降低新一代高溫合金與防護(hù)涂層基體/界面 互擴(kuò)散，該熱噴涂合金粉末抗氧化及抗腐蝕性能優(yōu)異，可以解決我國新一代復(fù)雜體系高溫 合金與簡(jiǎn)單體系的防護(hù)涂層材料不匹配，導(dǎo)致在高溫環(huán)境下因微量元素?cái)U(kuò)散基材使用溫度 和力學(xué)性能下降的問題，以及制備多元MCrAlYX合金粉末在制備過程中因鋼液溫度過高引 起的氧化物夾雜含量過高的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種多元MCrAlYX合金粉末，該合金粉末的化學(xué)組成及雜質(zhì)含量如下：Cr : 15? 32wt%，Al :3. O ?10wt%，Y :0· 1 ?3. Owt%，X :0 ?15% (X 指 Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si 等合金元素中的一種或多種的組合），〇 :< 500ppm，K 50ppm，K 50ppm，C 200ppm， M(M是Fe、Co、Ni等合金元素）余量。
[0007] 本發(fā)明中，熱噴涂合金粉末粒度為15?105 μ m。
[0008] 本發(fā)明中，熱噴涂合金粉末的流動(dòng)性為< 25s/50g，松裝密度為：3. 5?4. 5g/cm3。
[0009] -種多元MCrAlYX合金粉末的制備方法，制備方法為真空熔煉-熱氣霧化技術(shù)，熱 氣霧化是利用電加熱使霧化氣體溫度升高至100?500°C，并增大霧化氣流速度，氣流的流 動(dòng)速度約為I. 〇?3. 0馬赫，該氣流直接沖擊液態(tài)金屬流使其霧化成微小的液滴，隨后快速 冷凝成合金粉末。與常規(guī)的真空熔煉-惰氣霧化技術(shù)制備合金粉末技術(shù)相比，真空熔煉-熱 氣霧化技術(shù)可以通過提高霧化氣體溫度，增大霧化氣體動(dòng)能，在實(shí)現(xiàn)粉末形貌、粒度大小及 分布控制的同時(shí)，可降低鋼液過熱度，從而降低合金粉末中的氧化物夾雜含量，提高涂層材 料的使用性能。
[0010] 一種多元MCrAlYX合金涂層的制備方法，采用等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂 工藝在新一代高溫合金基材上制備涂層，并對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理。熱處理工藝具體如下： 在1000?IKKTC，熱處理4?8h后，在800?900°C進(jìn)行15?30h時(shí)效處理。
[0011] 一種降低高溫合金與防護(hù)涂層界面元素互擴(kuò)散的方法，采用本發(fā)明提供的真空熔 煉-熱氣霧化方法制備本發(fā)明的多元MCrAlYX合金粉末，并采用本發(fā)明提供的方法制備涂 層。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 1、采用本發(fā)明熱噴涂合金粉末制備的涂層可有效抑制基體中添加的強(qiáng)化元素如 Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等微量元素向涂層中擴(kuò)散。
[0014] 2、采用本發(fā)明熱噴涂合金粉末制備的涂層與基體結(jié)合處微量元素濃度梯度差、高 溫拉伸、蠕變等力學(xué)性能下降額度降低一倍以上（由下降20%，降低至彡10% )。
[0015] 3、采用本發(fā)明熱噴涂合金粉末制備的涂層具有優(yōu)異的高溫（IKKTC )抗氧化性 能，經(jīng)過IKKTC X500h靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)后，涂層增重速率< 0. 05g/m2 · h。
[0016] 4、采用本發(fā)明熱噴涂合金粉末制備的涂層具有優(yōu)異的低溫（35°C )和高溫 (900°〇抗腐蝕性能。經(jīng)過351：\100011鹽霧試驗(yàn)后，涂層無明顯變化；經(jīng)過9001：\20011 高溫腐蝕試驗(yàn)后，涂層腐蝕增重< 〇. lmg/mm2。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為實(shí)例1中NiCoCrAlYTiTaHf合金粉末SEM形貌。
[0018] 圖2為實(shí)例2中NiCoCrAlYTaReNbHf合金粉末SEM形貌。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020] 本發(fā)明中，一種多元MCrAlYX合金粉末制備及檢測(cè)包括如下步驟：
[0021] 步驟I :熔煉上述熱噴涂涂層材料或合金錠。
[0022] 步驟2 :采用真空感應(yīng)熔煉-熱氣霧化法將步驟1得到的合金錠制成粉末。
[0023] 本發(fā)明中，熱氣霧化是利用電加熱使霧化氣體溫度升高至100?500°C，并增大霧 化氣流速度，氣流的流動(dòng)速度約為I. 〇?3. 0馬赫，該氣流直接沖擊液態(tài)金屬流（鋼液過熱 度50?200°C )使其霧化成微小的液滴，隨后快速冷凝成合金粉末。
[0024] 步驟3:將步驟2制備的合金粉末惰性氣體保護(hù)分級(jí)。
[0025] 步驟4:對(duì)步驟3得到的粉末進(jìn)行流動(dòng)性和松裝密度測(cè)定。
[0026] 步驟5:對(duì)步驟3制備的合金粉末進(jìn)行化學(xué)成分及雜質(zhì)含量分析。
[0027] 步驟6:采用等離子噴涂技術(shù)或超音速火焰噴涂技術(shù)和真空熱處理技術(shù)將步驟3 制備的合金粉末進(jìn)行抗氧化及腐蝕試驗(yàn)樣品制備。
[0028] 本發(fā)明中，熱噴涂合金粉末采用等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝在新一代 高溫合金基材上制備涂層，并對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理。熱處理工藝具體如下：在1000? IKKTC，熱處理4?8h后，在800?900°C進(jìn)行15?30h時(shí)效處理。
[0029] 步驟7 :將步驟6制備的樣品進(jìn)行SEM分析、抗氧化性能和抗腐蝕性能試驗(yàn)。
[0030] 實(shí)施例1
[0031]步驟1:使用真空感應(yīng)爐烙煉噴涂材料合金錠，原料純度不低于98wt %，配料按表 1進(jìn)行。
[0032] 表1合金粉末配料表
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種多元MCrAlYX合金粉末，其特征在于，該合金粉末的化學(xué)組成及雜質(zhì)含量如下：Cr :15 ?32wt% ;A1 :3. 0 ?10wt% ;Y :0? 1 ?3. Owt% ;X :0 ?15%，X 指 Ti、Hf、Ta、Nb、 Re、Ti、Si等合金元素中的一種或多種的組合；雜質(zhì)K 500ppm，K 50ppm，K 50ppm， C :彡200ppm ;M余量，M是Fe、Co、Ni合金元素。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末粒度為15?105 ii m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金粉末，其特征在于，所述合金粉末的流動(dòng)性為 < 25s/50g，松裝密度為：3. 5 ?4. 5g/cm3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金粉末的制備方法，制備方法為真空熔煉-熱氣霧化技術(shù)， 熱氣霧化是利用電加熱使霧化氣體溫度升高至100?500°C，并增大霧化氣流速度，氣流的 流動(dòng)速度為1. 〇?3. 0馬赫，該氣流直接沖擊液態(tài)金屬流使其霧化成微小的液滴，隨后快速 冷凝成合金粉末。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金粉末涂層的制備方法，采用等離子噴涂工藝或超音 速火焰噴涂工藝在基材上制備涂層，并對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理，熱處理工藝具體如下：在 1000?1KKTC，熱處理4?8h后，在800?900°C進(jìn)行15?30h時(shí)效處理。
6. -種降低高溫合金與防護(hù)涂層界面元素互擴(kuò)散的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求 4所述的方法制備權(quán)利要求1 _3任一權(quán)利要求所述的多兀MCrAlYX合金粉末，米用權(quán)利要求 5所述的方法制備涂層。
【文檔編號(hào)】C23C4/08GK104357782SQ201410648586
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】于月光, 張淑婷, 沈婕, 王輝, 郭東海, 周恒 , 李金
申請(qǐng)人:北京礦冶研究總院, 北礦新材科技有限公司