技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種利用組織細(xì)化和活性元素的協(xié)同作用提高熱噴涂MCrAlY涂層抗氧化性能的方法，屬材料表面工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高溫防護(hù)涂層對于航空發(fā)動機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的防護(hù)具有重要作用。MCrAlY（M=Ni，Co或Ni+Co）高溫合金涂層既可以單獨(dú)使用，也可以作為熱障涂層的粘結(jié)層，是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的高溫防護(hù)涂層之一。
熱噴涂具有生產(chǎn)效率高、成本低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，是目前制備MCrAlY涂層的主要技術(shù)手段之一。由于熱噴涂技術(shù)本身的特點(diǎn)，其涂層內(nèi)部不可避免存在孔洞、裂紋、層片狀結(jié)構(gòu)和未熔顆粒等缺陷，這會導(dǎo)致非保護(hù)性氧化物的過早形成和局部優(yōu)先生長，大幅降低涂層的抗氧化性能。目前主要通過真空熱處理、噴丸處理和載能束(激光束、離子束、電子束)處理等技術(shù)來改善涂層上述組織缺陷。載能束處理是其中研究和報(bào)道最多的一種方法，該技術(shù)是通過激光束/離子束/電子束對涂層的重熔作用，消除組織缺陷。2009年，大連理工大學(xué)的梅顯秀等人在《強(qiáng)激光與離子束》上的文章《強(qiáng)流脈沖電子束輻照對NiCoCrAlY涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響》的研究表明，采用強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)處理低壓等離子噴涂NiCoCrAlY涂層后，涂層內(nèi)部的孔洞和裂紋消失，涂層表面更加致密和平整，大幅提高了涂層抗高溫氧化性能。公開號CN103789713公開了一種一種抗氧化MCrAlY細(xì)晶防護(hù)涂層材料及其制備方法，該方法采用強(qiáng)流脈沖電子束技術(shù)處理等離子噴涂MCrAlY涂層得到超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的重熔層。上述方法僅可改善涂層組織，對涂層合金成分無任何改變。
涂層組織結(jié)構(gòu)和合金成分是影響熱噴涂MCrAlY涂層抗高溫氧化性能的主要因素。通過向涂層中添加適量的Ta、Re、Si、Ti、W、Pt、Hf、稀土等活性合金元素可以有效降低涂層表面氧化膜的生長速率，并提高氧化膜的黏附性，從而提高涂層的抗高溫氧化性能。涂層的合金成分通常由粉末決定。涂層合金成分調(diào)整的程序通常是先制備出設(shè)計(jì)成分的粉末，然后再把粉末噴涂形成涂層，最后根據(jù)涂層性能反饋結(jié)果再優(yōu)化成分設(shè)計(jì)。此方法存在周期長，工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。
因此，開發(fā)一種既可改善涂層組織又可改進(jìn)涂層合金成分的熱噴涂MCrAlY涂層改性方法，使涂層具有更好的抗氧化性能，同時(shí)又具有操作簡便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，顯得非常迫切且具有較好的應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種提高熱噴涂MCrAlY涂層抗氧化性能的方法。利用脈沖等離子體技術(shù)處理熱噴涂MCrAlY涂層，一方面可消除涂層表層孔洞、裂紋、層片狀結(jié)構(gòu)和未熔顆粒等缺陷，同時(shí)還可得到細(xì)化甚至納米化的涂層組織；另一方面可在涂層表層滲入有益合金元素。通過上述兩方面的協(xié)同作用，大幅提高涂層的抗氧化性能。
本發(fā)明提供了利用組織細(xì)化和活性元素協(xié)同作用提高熱噴涂MCrAlY涂層抗氧化性能的方法，所述方法步驟如下：
（1）將高溫合金基體切割成合適的尺寸，經(jīng)清洗、除銹、噴砂粗化處理后固定于工作臺上；
（2）采用熱噴涂技術(shù)在基體表面制備一定厚度的MCrAlY涂層；
（3）選擇待滲入合金元素對應(yīng)的電極材料，利用脈沖等離子體技術(shù)對制備完成的熱噴涂MCrAlY涂層進(jìn)行處理，獲得具有微納米結(jié)構(gòu)的含滲入合金元素的MCrAlY涂層。
所述步驟（2）中采用的熱噴涂技術(shù)包括等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)或低壓等離子噴涂技術(shù)。
所述步驟（2）中的MCrAlY涂層，M為Ni、Co或Ni+Co，包含NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY三種涂層類型。
所述步驟（3）中采用的脈沖等離子體技術(shù)處理工藝參數(shù)為：電壓3～10KV，等離子體能量密度105-108W/cm2，處理次數(shù)10～20次，處理距離30～100mm，真空度為一個(gè)大氣壓，保護(hù)氣體為氬氣或氮?dú)狻?/p>
所述步驟（3）中的電極材料成分包括Ta、Re、Pt、Hf、稀土元素中的一種或兩種及兩種以上元素組成的合金。
上述技術(shù)方案的指導(dǎo)思想是：脈沖等離子體設(shè)備采用一個(gè)巧妙的推進(jìn)器裝置和等離子槍連接，工作氣體在推進(jìn)器內(nèi)預(yù)先加熱、加速后進(jìn)入等離子槍，然后在高壓電容放電作用下產(chǎn)生富含電極合金元素的脈沖等離子體，等離子體在自身感應(yīng)磁場與電流作用下形成洛倫茲力從而加速轟擊基體，基體表面在脈沖、電場、磁場以及彈性變形等作用下，產(chǎn)生異常的熱量和大量粒子擴(kuò)散遷移，將電極合金元素注入基體表層，并將表層極快速加熱熔化，由于基體的快速熱傳導(dǎo)，熔化的表面又快速凝固，最終在基體表面形成具有微納米結(jié)構(gòu)的新合金層。
本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明方法采用脈沖等離子體技術(shù)可在常壓狀態(tài)下（加保護(hù)氣氛）對涂層進(jìn)行處理，成本較低且對工件尺寸無限制，而脈沖電子束技術(shù)需在真空環(huán)境下對涂層進(jìn)行處理，工件尺寸易受限于真空室大小。此外，本發(fā)明提供的方法除可實(shí)現(xiàn)脈沖電子束對熱噴涂MCrAlY涂層重熔，達(dá)到消除涂層組織缺陷和細(xì)化組織的效果外，還可向涂層內(nèi)部滲入有益合金元素，通過組織細(xì)化和合金元素的協(xié)同作用提高涂層的抗氧化性能。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。
實(shí)施例1
本實(shí)施例一種提高熱噴涂MCrAlY涂層抗氧化性能的方法，其步驟如下：
（1）選取GH49高溫合金為基體，將基體切割成20㎜×20㎜×10mm的塊體后，經(jīng)酒精清洗后通過專用噴砂機(jī)，采用20～40目的白剛玉砂粒、0.6MPa的噴砂壓力對基體表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
（2）選取Co21Ni21Cr8Al0.5Y粉末為噴涂粉末，采用等離子噴涂技術(shù)在經(jīng)預(yù)處理的基體表面制備Co21Ni21Cr8Al0.5Y涂層，涂層厚度為150μm。等離子噴涂技術(shù)工藝參數(shù)為：電流為750A，氬氣流量為1.9m3/h，氫氣流量為0.9 m3/h，噴涂距離為80mm，送粉速率50g/min。
（3）選擇Ta為電極材料，利用脈沖等離子體技術(shù)對制備完成的等離子噴涂Co21Ni21Cr8Al0.5Y涂層進(jìn)行處理，采用的脈沖等離子體技術(shù)處理工藝參數(shù)為：電壓為8KV，等離子體能量密度為108W/cm2，處理次數(shù)為15次，處理距離為50mm，真空度為一個(gè)大氣壓，保護(hù)氣體為氬氣。
通過SEM觀察分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)本發(fā)明提供的方法處理過的等離子噴涂Co21Ni21Cr8Al0.5Y涂層表層存在約30μm后的改性層，改性層內(nèi)組織均勻，無明顯氣孔、裂紋和氧化物分布，且分布著大量的細(xì)晶組織。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，Ta元素的滲入深度約為5μm。將脈沖等離子技術(shù)處理前后的涂層經(jīng)1000℃×100h的高溫氧化性能實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)脈沖等離子技術(shù)處理后的涂層表面氧化膜厚度明顯小于未經(jīng)處理的涂層，說明脈沖等離子技術(shù)處理后的涂層具有更好的抗氧化性能。
實(shí)施例2
本實(shí)施例一種提高熱噴涂MCrAlY涂層抗氧化性能的方法，其步驟如下：
（1）選取GH49高溫合金為基體，將基體切割成20㎜×20㎜×10mm的塊體后，經(jīng)酒精清洗后通過專用噴砂機(jī)，采用20～40目的白剛玉砂粒、0.6MPa的噴砂壓力對基體表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
（2）選取Ni22Cr12Al0.5Y粉末為噴涂粉末，采用超音速火焰噴涂技術(shù)在經(jīng)預(yù)處理的基體表面制備Ni22Cr12Al0.5Y涂層，涂層厚度為200μm。超音速火焰噴涂技術(shù)工藝參數(shù)為：煤油流量20L/h，氧氣流量53m3/h，噴涂距離為380mm，送粉速率60g/min。
（3）選擇Re為電極材料，利用脈沖等離子體技術(shù)對制備完成的超音速火焰噴涂Ni22Cr12Al0.5Y涂層進(jìn)行處理，采用的脈沖等離子體技術(shù)處理工藝參數(shù)為：電壓為8.5KV，等離子體能量密度為108W/cm2，處理次數(shù)為20次，處理距離為60mm，真空度為一個(gè)大氣壓，保護(hù)氣體為氬氣。
通過SEM觀察分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)本發(fā)明提供的方法處理過的超音速火焰噴涂Ni22Cr12Al0.5Y涂層表層存在約40μm后的改性層，改性層內(nèi)組織均勻，無明顯氣孔、裂紋和氧化物分布，且分布著大量的細(xì)晶組織。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，Re元素的滲入深度約為8μm。將脈沖等離子技術(shù)處理前后的涂層經(jīng)1000℃×100h的高溫氧化性能實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)脈沖等離子技術(shù)處理后的涂層表面氧化膜厚度明顯小于未經(jīng)處理的涂層，說明脈沖等離子技術(shù)處理后的涂層具有更好的抗氧化性能。
實(shí)施例3
本實(shí)施例一種提高熱噴涂MCrAlY涂層抗氧化性能的方法，其步驟如下：
（1）選取GH49高溫合金為基體，將基體切割成20㎜×20㎜×10mm的塊體后，經(jīng)酒精清洗后通過專用噴砂機(jī)，采用20～40目的白剛玉砂粒、0.6MPa的噴砂壓力對基體表面進(jìn)行噴砂粗化處理；
（2）選取Co24Cr8Al0.5Y粉末為噴涂粉末，采用低壓等離子噴涂技術(shù)在經(jīng)預(yù)處理的基體表面制備Co24Cr8Al0.5Y涂層，涂層厚度為200μm。低壓等離子噴涂技術(shù)工藝參數(shù)為：電流為600A，氬氣流量為3.6m3/h，氫氣流量為0.5 m3/h，噴涂距離為270mm，送粉速率55g/min。
（3）選擇Pt為電極材料，利用脈沖等離子體技術(shù)對制備完成的低壓等離子噴涂技術(shù)Co24Cr8Al0.5Y涂層進(jìn)行處理，采用的脈沖等離子體技術(shù)處理工藝參數(shù)為：電壓為10 KV，等離子體能量密度為108W/cm2，處理次數(shù)為20次，處理距離為70mm，真空度為一個(gè)大氣壓，保護(hù)氣體為氬氣。
通過SEM觀察分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)本發(fā)明提供的方法處理過的低壓等離子噴涂技術(shù)Co24Cr8Al0.5Y涂層表層存在約45μm后的改性層，改性層內(nèi)組織均勻，無明顯氣孔、裂紋和氧化物分布，且分布著大量的細(xì)晶組織。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，Pt元素的滲入深度約為10μm。將脈沖等離子技術(shù)處理前后的涂層經(jīng)1000℃×100h的高溫氧化性能實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)脈沖等離子技術(shù)處理后的涂層表面氧化膜厚度明顯小于未經(jīng)處理的涂層，說明脈沖等離子技術(shù)處理后的涂層具有更好的抗氧化性能。