專利名稱：一種適用于單晶高溫合金的阻擴(kuò)散涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱障涂層的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是指一種在單晶高溫合金基體表層沉積一層滲碳層，得到阻止粘接層和單晶高溫合金基體間元素擴(kuò)散的方法。
背景技術(shù)：
隨著航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機向高推重比方向發(fā)展，渦輪前進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，因 此對發(fā)動機高溫部件的耐高溫能力也提出了更高的要求。為提高先進(jìn)渦輪發(fā)動機推力/質(zhì) 量比和使用壽命，降低燃料消耗，用于渦輪葉片的材料已從高溫合金、定向凝固結(jié)晶合金發(fā) 展到單晶超級合金，材料的使用溫度提高近300°C，接近金屬使用極限溫度。然而，合金材料 的單獨使用已經(jīng)不能完全滿足設(shè)計及使用要求，采用具有耐高溫、高隔熱性能的熱障涂層 技術(shù)是降低合金表面工作溫度、提高合金使用壽命的可持續(xù)發(fā)展的有效方法。熱障涂層(Thermal Barrier Coatings, TBCs)結(jié)構(gòu)主要由陶瓷層和粘結(jié)層構(gòu)成， 粘結(jié)層位于基體與陶瓷層之間。陶瓷層作為隔熱頂層，主要起到隔熱的作用；粘結(jié)層主要是 緩解基體與陶瓷層之間的熱膨脹不匹配，以及高溫合金基體抗氧化性能差的問題。MCrAlX 系合金(M為Ni、Co中的一種或其組合)涂層是90年代以來開始廣泛使用的包覆涂層， MCrAlX涂層具有良好的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，而且具有良好的塑性，且成份選擇具 有多樣性。在高溫氧化環(huán)境下，在MCrAlX層表面將氧化形成一層致密的Al2O3保護(hù)膜，阻 止粘結(jié)層的進(jìn)一步氧化，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)基體的目的。如參考文獻(xiàn)[l]K.G.SChmitt-Thomas， Μ.Hertter, Improved oxidation resistance of thermal barrier coatings, Surface&CoatingsTechnology, 121 (1999) 84-88 和參考文獻(xiàn)[2] C. Bezencon, A. Schnel 1, et al. ,Epitaxial deposition of MCrAlY coatings on a Ni—base superalloy by laser cladding, Scripta Materialia，49 (7) (2003) :705_709 中相關(guān)敘述。在熱障涂層結(jié)構(gòu)體系 中，粘結(jié)層和基體之間的互擴(kuò)散是一個較為嚴(yán)重的問題，特別是新一代含Re和Ru的單晶高 溫合金材料，由于涂層中Al向基體內(nèi)部擴(kuò)散以及基體中Ni元素外擴(kuò)散，引起基體合金中的 Re和Ru及其他難熔元素如W，Mo, Ta, Re等在合金中的固溶度降低，從合金中析出，導(dǎo)致合 金基體組織失穩(wěn)，從而形成有害第二反應(yīng)區(qū)(Secondary Reaction Zone,SRZ)和的TCP相， 這些互擴(kuò)散問題都嚴(yán)重地降低了單晶高溫合金基體的機械性能，尤其是大幅度的降低了合 金基體的抗高溫疲勞性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種適用于單晶高溫合金的阻擴(kuò)散涂層 的制備方法，該方法通過采用電子束物理氣相沉積工藝，在單晶高溫合金(DD3、DD6等)表 面制備出一層彌散分布納米級或亞微米級碳化物的滲碳層，對滲碳層進(jìn)行擴(kuò)散處理后再沉 積MCrAlX(M為Ni、Co中的一種或其組合，X為Y，Dy，Hf)層，通過滲碳層與單晶高溫合金中 的過飽和的難熔合金元素主動形成納米或亞微米級的碳化物，降低難熔合金元素在單晶高 溫合金內(nèi)部析出的機會，提高單晶高溫合金內(nèi)部的組織穩(wěn)定性，從而阻止單晶高溫合金中有害的SRZ和TCP相形成。本發(fā)明采用電子束物理氣相沉積方法在單晶高溫合金基體上制備阻擴(kuò)散涂層，包 括以下步驟第一步基體準(zhǔn)備與前處理； 第二步將選取的滲碳材料放入電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，并將單晶高 溫合金基體安裝于基板上；第三步抽真空室的真空度至lX10_2pa以下；設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架的旋轉(zhuǎn)速度10 20rpm ；采用電子槍加熱基板至600 900°C，電子束電壓18 19KV ；第四步沉積滲碳層預(yù)蒸發(fā)滲碳材料料棒，電子槍加熱滲碳材料料棒溫度至 600 900°C，并調(diào)節(jié)電子束流為1. 2 1. 6A，滲碳材料料棒上升速率為0. 8 1. Omm/min, 沉積速率為1. 5 2. Ομπι/min ；開始蒸發(fā)沉積滲碳層，沉積1分鐘后取出；1000 1100°C 下真空熱處理2小時；第五步沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料MCrAlX料棒，電子槍加熱MCrAlX料棒溫 度至1300 1700°C，并調(diào)節(jié)電子束流1. 4 1. 8A，MCrAlX料棒上升速率1. 2 1. 6mm/min, 沉積速率2. 5 3. O μ m/min ；開始蒸發(fā)沉積粘結(jié)層，沉積30 40分鐘完成后取出，即得含 有滲碳層的阻擴(kuò)散涂層。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、采用本發(fā)明提出的阻擴(kuò)散涂層的制備方法所制備的單晶高溫合金內(nèi)部組織穩(wěn) 定，在單晶高溫合金基體上沉積滲碳層，通過滲碳層與單晶高溫合金中的過飽和的難熔合 金元素主動形成納米或亞微米級的碳化物，降低難熔合金元素在單晶高溫合金內(nèi)部析出的 機會，提高單晶高溫合金內(nèi)部的組織穩(wěn)定性；2、無有害相生成經(jīng)過滲碳處理的阻擴(kuò)散涂層，其滲碳層的厚度為20 40 μ m，元 素擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度范圍內(nèi)；并且無有害的SRZ、針狀TCP相的形成。


圖1 本發(fā)明制備的阻擴(kuò)散涂層的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖2 電子束物理氣相沉積設(shè)備示意圖；圖3 未經(jīng)滲碳處理的MCrAlY涂層在1100°C條件下氧化IOOh截面形貌；圖4 滲碳處理后的MCrAlY涂層在1100°C下氧化IOOh截面低倍形貌；圖5 滲碳處理后的MCrAlY涂層在1100°C下氧化IOOh截面高倍形貌；圖2 中1-基板，2-坩堝，3-真空室，4-旋轉(zhuǎn)基板架，5-電子槍A，6_電子槍B。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明公開一種適用于單晶高溫合金的阻擴(kuò)散涂層的制備方法，所述的阻擴(kuò)散涂 層包括滲碳層和MCrAlX粘結(jié)層；通過電子束物理氣相沉積方法在單晶高溫合金基體表面 沉積一層滲碳層，擴(kuò)散處理后再沉積MCrAlX粘結(jié)層(M為Ni、Co中的一種或其組合，X為Y， Dy，Hf)，如圖1所示。通過滲碳層與單晶高溫合金中的過飽和的難熔合金元素主動形成納米或亞微米級的碳化物，降低難熔合金元素在合金內(nèi)部析出的機會，提高單晶高溫合金內(nèi) 部的組織穩(wěn)定性。經(jīng)過滲碳處理阻擴(kuò)散涂層其滲碳層的厚度為20 40 μ m,擴(kuò)散區(qū)域在滲 碳層厚度范圍內(nèi)，并且有效的阻止了單晶高溫合金中有害SRZ和TCP相的形成。電子束物理氣相沉積設(shè)備簡示圖如圖2所示，采用電子束物理氣相沉積方法在單 晶高溫合金基體上制備阻擴(kuò)散涂層的具體工藝步驟有第一步基體準(zhǔn)備與前處理(1)選用Ni基單晶高溫合金作為基體材料；(2)順次采用150號、300號、400號和800號砂紙打磨基體材料至表面粗糙度Ra < 0. 8 ；(3)將打磨后的基體材料放入99. 5 %丙酮中進(jìn)行超聲波清洗20min后，使用 99. 7%無水乙醇清洗，自然晾干后獲得粗糙度Ra < 0. 8基體；(4)將粗糙度Ra < 0. 8的基體利用噴砂機進(jìn)行噴砂處理，使表面粗糙度Ra達(dá)到 15。第二步選取CltlH8或C14H14作為滲碳材料，將滲碳材料放入電子束物理氣相沉積設(shè) 備的坩堝2內(nèi)，并將鎳基高溫合金基體安裝于基板1上；第三步抽真空室3的真空度至IX ICT2Pa以下；設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架4的旋轉(zhuǎn)速度 10 20rpm ；采用電子槍5A加熱基板1至600 900°C，電子束電壓18 19KV ；第四步沉積滲碳層預(yù)蒸發(fā)滲碳材料CltlH8或C14H14料棒，電子槍6B加熱CltlH8或 C14H14料棒溫度至900°C，并調(diào)節(jié)電子束流1. 2 1. 6A，料棒上升速率0. 8 1. Omm/min，沉 積速率1. 5 2. O μ m/min ；開始蒸發(fā)沉積滲碳層，沉積1分鐘后取出；1000 1100°C下真 空熱處理2小時。第五步沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料MCrAlX料棒，電子槍6B加熱MCrAlX料棒 溫度至1300 1700°C，并調(diào)節(jié)電子束流1. 4 1. 8A，MCrAlX料棒上升速率1. 2 1. 6mm/ min,沉積速率2. 5 3. O μ m/min ；開始蒸發(fā)沉積粘結(jié)層，沉積30 40分鐘后取出，即得到 含有滲碳層的阻擴(kuò)散涂層。對上述得到的阻擴(kuò)散涂層試樣進(jìn)行性能測試分別將經(jīng)過滲碳處理的阻擴(kuò)散涂層試樣和未經(jīng)過滲碳處理的MCrAlX涂層試樣在 1100 1150°C下真空熱處理100小時后，試樣截面用砂紙打磨、拋光。在掃描電鏡下觀察 分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過滲碳處理的涂層試樣，在高溫合金基體表面形成一層具有細(xì)小彌散分布的 納米或亞微米級碳化物的滲碳層，厚度為20 μ m-40 μ m,元素的擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度范圍 內(nèi)，并且無有害的SRZ和的針狀TCP相形成。而未經(jīng)過滲碳處理的涂層試樣的擴(kuò)散區(qū)域厚 度約為100 μ m，有SRZ和針狀TCP相生成。經(jīng)過上述工藝制備的阻擴(kuò)散涂層，顯著提高了單 晶高溫合金基體與MCrAlX涂層之間的阻擴(kuò)散性能。實施例1 第一步基體準(zhǔn)備與前處理(1)選用牌號DD6的Ni基單晶高溫合金為基體材料，順次選用150號、300號、400 號和800號砂紙打磨基體材料至表面粗糙度Ra < 0. 8。
(2)將打磨后的基體放入99. 5%丙酮中進(jìn)行超聲波清洗20min后，使用99. 7%無 水乙醇清洗，自然晾干獲得粗糙度Ra < 0. 8基體；
(3)將粗糙度Ra < 0. 8基體利用噴砂機進(jìn)行噴砂處理，使表面粗糙度Ra達(dá)到15 左右；第二步將選取的滲碳材料C14H14放入電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝2內(nèi)，并將 鎳基高溫合金基體安裝于基板1上；第三步抽真空室3的真空度至5X 10_3Pa ；設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架4的旋轉(zhuǎn)速度IOrpm ； 采用電子槍5A加熱基板1至900°C，電子束電壓19KV ；第四步沉積滲碳層預(yù)蒸發(fā)滲碳層材料C14H14料棒，電子槍6B加熱該C14H14料棒 溫度至900°C，并調(diào)節(jié)電子束流1. 6A，料棒上升速率lmm/min，沉積速率2 μ m/min ；開始蒸發(fā) 沉積滲碳層，沉積1分鐘后取出；IOOiTC下真空熱處理2小時；第五步沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料MCrAlX料棒，電子槍6B加熱該MCrAlX料 棒溫度至170(TC，并調(diào)節(jié)電子束流1. 8A，料棒上升速率1. 2mm/min，沉積速率2. 5μπι/π η ； 開始蒸發(fā)沉積粘結(jié)層，沉積40分鐘后取出，即含有滲碳層的阻擴(kuò)散涂層。將經(jīng)過上述滲碳處理后得到的阻擴(kuò)散涂層試樣在IlOiTC下真空熱處理100小時 后，采用掃描電鏡觀察，如圖4和圖5所示，滲碳處理后滲碳層厚度為40 μ m，形成了細(xì)小的 納米或亞微米級的碳化物，元素擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度范圍內(nèi)，并且無有害的SRZ及針狀 TCP相生成。實施例2 第一步基體準(zhǔn)備與前處理(1)選用牌號DD6的Ni基高溫合金為基體材料，順次選用150號、300號、400號和 800號砂紙打磨，至表面粗糙度Ra < 0. 8 ；(2)將打磨后的基體放入99. 5%丙酮中進(jìn)行超聲波清洗20min后，使用99. 7%無 水乙醇清洗，自然晾干獲得粗糙度Ra < 0. 8基體；(3)將粗糙度Ra < 0. 8基體利用噴砂機進(jìn)行噴砂處理，使表面粗糙度Ra達(dá)到15
左右；第二步將選取的滲碳材料CltlH8放入電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝2內(nèi)，并將 鎳基高溫合金基體安裝于基板1上；第三步抽真空室3的真空度至1 X IO-2Pa ；設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架4的旋轉(zhuǎn)速度IOrpm ； 采用電子槍5A加熱基板1至600°C，電子束電壓18KV ；第四步沉積滲碳層預(yù)蒸發(fā)滲碳層材料CltlH8料棒，電子槍6B加熱該CltlH8料棒溫 度至600°C，并調(diào)節(jié)電子束流1. 2A，料棒上升速率0. 8mm/min，沉積速率1. 5 μ m/min ；開始蒸 發(fā)沉積滲碳層，沉積1分鐘后取出；1100°C下真空熱處理2小時。第五步沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料MCrAlX料棒，電子槍6B加熱該MCrAlX料 棒溫度至130(TC，并調(diào)節(jié)電子束流1. 4A，料棒上升速率1. 2mm/min，沉積速率2. 5μπι/π η ； 開始蒸發(fā)沉積粘結(jié)層，沉積30分鐘后取出，即得含有滲碳層的阻擴(kuò)散涂層。將經(jīng)過上述滲碳處理后得到的阻擴(kuò)散涂層試樣在IlOiTC下真空熱處理100小時 后，利用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)滲碳處理后滲碳層的厚度為20 μ m，元素擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度 范圍內(nèi)，并且無有害的SRZ及針狀TCP相生成。實施例3 第一步基體準(zhǔn)備與前處理
(1)選用牌號DD3的Ni基單晶高溫合金為基體材料，順次選用150號、300號、400 號和800號砂紙打磨基體材料至表面粗糙度Ra < 0. 8。(2)將打磨后的基體放入99. 5%丙酮中進(jìn)行超聲波清洗20min后，使用99.7%無 水乙醇清洗，自然晾干獲得粗糙度Ra < 0. 8基體；(3)將粗糙度Ra < 0. 8的基體利用噴砂機進(jìn)行噴砂處理，使表面粗糙度Ra達(dá)到 15左右；第二步將選取的滲碳材料C14H14放入電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝2內(nèi)，并將 鎳基高溫合金基體安裝于基板1上；第三步抽真空室3的真空度至1 X IO-3Pa ；設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架4的旋轉(zhuǎn)速度20rpm ； 采用電子槍5A加熱基板1至900°C，電子束電壓19KV ；第四步沉積滲碳層預(yù)蒸發(fā)滲碳層材料C14H14料棒，電子槍6B加熱該C14H14料棒 溫度至600°C，并調(diào)節(jié)電子束流1. 5A，料棒上升速率0. 8mm/min，沉積速率1. 5 μ m/min ；開始 蒸發(fā)沉積滲碳層，沉積1分鐘后取出；IlOiTC下真空熱處理2小時。第五步沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料MCrAlX料棒，電子槍6B加熱該MCrAlX料 棒至溫度170(TC，并調(diào)節(jié)電子束流1.6A，料棒上升速率1.6111111/1^11，沉積速率3.(^111/1^11 ； 開始蒸發(fā)沉積粘結(jié)層，沉積30分鐘后取出，即得含有滲碳層的阻擴(kuò)散涂層。將經(jīng)過上述滲碳處理后得到的阻擴(kuò)散涂層試樣在1150°C下真空熱處理100小時， 利用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)滲碳處理后滲碳層的厚度為25 μ m，元素擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度范 圍內(nèi)，并且無有害的SRZ及針狀TCP相生成。
權(quán)利要求
一種適用于單晶高溫合金的阻擴(kuò)散涂層，其特征在于所述的阻擴(kuò)散涂層由滲碳層和MCrAlX粘結(jié)層構(gòu)成；通過電子束物理氣相沉積方法在單晶高溫合金基體表面沉積一層滲碳層，擴(kuò)散處理后再沉積MCrAlX粘結(jié)層，其中M為Ni、Co中的一種或其組合，X為Y，Dy，Hf。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻擴(kuò)散涂層，其特征在于所述的滲碳層厚度為20 40μ m ； 元素擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻擴(kuò)散涂層，其特征在于所述的滲碳層中含有細(xì)小彌散分 布的納米或亞微米級碳化物。
4.一種適用于單晶高溫合金的阻擴(kuò)散涂層的制備方法，其特征在于第一步基體準(zhǔn)備與前處理；第二步將選取的滲碳材料放入電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，并將單晶高溫合 金基體安裝于基板上；第三步抽真空室的真空度至IXlO-2Pa以下；設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架的旋轉(zhuǎn)速度10 20rpm ；采用電子槍加熱基板至600 900°C，電子束電壓18 19KV ；第四步沉積滲碳層預(yù)蒸發(fā)滲碳材料料棒，電子槍加熱滲碳材料料棒溫度至600 900°C，并調(diào)節(jié)電子束流為1. 2 1. 6A，滲碳材料料棒上升速率為0. 8 1. Omm/min，沉積速 率為1.5 2.0ym/min ；開始蒸發(fā)沉積滲碳層，沉積1分鐘后取出；1000 1100°C下真空 熱處理2小時；第五步沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料MCrAlX料棒，電子槍加熱料棒溫度至1300 1700°C，并調(diào)節(jié)電子束流1.4 1.8A，料棒上升速率1. 2 1. 6mm/min，沉積速率2. 5 3. O μ m/min ；開始蒸發(fā)沉積粘結(jié)層，沉積30 40分鐘完成后取出，即得含有滲碳層的阻擴(kuò)散涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于第一步所述的基體準(zhǔn)備與前處理具 體為A 選用M基單晶高溫合金作為基體材料；B 順次采用150號、300號、400號和800號砂紙打磨基體材料至表面粗糙度Ra < 0. 8 ；C 將打磨后的基體材料放入99. 5%丙酮中進(jìn)行超聲波清洗20min后，使用99. 7%無水 乙醇清洗，自然晾干后獲得粗糙度Ra < 0. 8基體；D 將粗糙度Ra < 0. 8的基體利用噴砂機進(jìn)行噴砂處理，使表面粗糙度Ra達(dá)到15。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于第二步和第四步中所述的滲碳材料 為 C10H8 或 C14H140
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于單晶高溫合金的阻擴(kuò)散涂層的制備方法，通過采用電子束物理氣相沉積工藝，在單晶高溫合金基體表面沉積一層彌散分布的納米級或亞微米級碳化物的滲碳層，擴(kuò)散處理后再沉積MCrA1X粘結(jié)層(M為Ni、Co中的一種或其組合，X為Y，Dy，Hf)，通過滲碳層與合金中的過飽和的難熔合金元素主動形成納米或亞微米級的碳化物，降低難熔合金元素在合金內(nèi)部析出的機會，提高合金內(nèi)部的組織穩(wěn)定性。經(jīng)過滲碳處理的阻擴(kuò)散涂層中滲碳層的厚度為20～40μm，元素擴(kuò)散區(qū)域在滲碳層厚度范圍內(nèi)，并且阻止了有害SRZ和TCP相的形成。
文檔編號C23C14/06GK101845609SQ201010179070
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者姚銳, 宮聲凱, 彭徽, 徐惠彬, 郭洪波 申請人:北京航空航天大學(xué)