基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)屬于一種耐高溫腐蝕涂層制備技術(shù)，具體涉及基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層的制備方法。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)采用多元復(fù)合涂層技術(shù)，外表面采用嵌入式納米Si3N4薄膜技術(shù)，具有極高的耐氧化能力，采用基板過(guò)渡層(Al?Si)連接層(Ti3Si(Al)C2)梯度層(Al?Ti?Si?Cr?N)、嵌入層(納米Si3N4)四層匹配層結(jié)構(gòu)，通過(guò)各匹配層之間的共有原子擴(kuò)散形成化學(xué)鍵及相互接近的熱膨脹系數(shù)，使復(fù)合涂層抗熱震性大幅度增強(qiáng)。

Preparation of multilayer composite high temperature corrosion resistant coating based on high temperature nickel base alloy

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層的制備方法
本專(zhuān)利技術(shù)屬于一種耐高溫腐蝕涂層制備技術(shù)，具體涉及基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層的制備方法。
技術(shù)介紹
高溫合金能在高溫(一般指600℃～1100℃)具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性及塑性的合金材料。實(shí)際高溫合金的應(yīng)用過(guò)程中，合金的工作環(huán)境和性能要求合金既要有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，又要具備優(yōu)異的抗腐蝕性能，目前隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用溫度的升高，使用環(huán)境的日益苛刻，傳統(tǒng)高溫鎳基合金已經(jīng)不能滿(mǎn)足在高溫下長(zhǎng)期的耐腐蝕性要求，而從材料自身兼容其高溫力學(xué)性能及高溫耐候性的研究已經(jīng)達(dá)到一個(gè)瓶頸，短時(shí)間大幅度提高其耐高溫腐蝕性難以實(shí)現(xiàn)，因而發(fā)展可靠的耐高溫腐蝕涂層技術(shù)成為解決高溫合金耐高溫腐蝕性最重要的方法。隨著航空、航天技術(shù)的飛速進(jìn)步，近三四十年來(lái)高溫防護(hù)涂層技術(shù)得到迅猛發(fā)展，目前高溫防腐涂層主要有以下幾種：1.金屬鋁化物涂層(包括改性鋁化物涂層)：金屬鋁化物是最早使用的合金表面的防護(hù)涂層，其主要利用高溫涂層表面生成的致密的氧化鋁來(lái)防止高溫氧化的進(jìn)一步進(jìn)行，同時(shí)其表面的富鋁或富鉻氧化物能夠具有一定的高溫耐腐蝕性，在650℃以下的鹽霧狀態(tài)下具有長(zhǎng)期的可靠性，但其在700℃以上熔鹽和鹽霧狀態(tài)下使用會(huì)明顯出現(xiàn)腐蝕痕跡，同時(shí)其在高溫氧化和還原氣氛變化的復(fù)合環(huán)境中耐腐蝕性會(huì)大幅度降低。2.金屬硅化物涂層(包含復(fù)合金屬硅化物涂層)：金屬硅化物主要指難熔金屬與硅生成的化合物涂層，其主要的通過(guò)高溫氧化表面形成的致密的SiO2以阻止氧化的進(jìn)一步進(jìn)行，同時(shí)玻璃質(zhì)的涂層具有自愈合性，是良好的抗腐蝕材料，但這種涂層最大問(wèn)題為硅在多數(shù)合金中擴(kuò)散很快，而且硅與合金互反應(yīng)易形成低熔點(diǎn)相和脆性相，使合金表面發(fā)生脆化，在長(zhǎng)期的高溫?zé)釠_擊條件下極易發(fā)生開(kāi)裂和脫落，因此使用溫度相對(duì)較低。3.多元金屬合金涂層：采用兩種或兩種以上的合金相制備的涂層(如MCrAlY涂層)，其利用高溫下多種元素氧化物的共同作用，降低合金表面的氧滲透性，提高合金表面的耐腐蝕性，是目前使用最多的高溫抗氧化涂層。但其同樣存在900℃以上鉻氧化物揮發(fā)及高溫700℃以上的強(qiáng)鹽霧腐蝕作用。4.貴金屬涂層：通過(guò)貴金屬涂層(鉑、鈮等)一種機(jī)械地把材料與環(huán)境相隔離的保護(hù)方法，具有極強(qiáng)的抗氧化性和耐腐蝕性，但其最大的問(wèn)題是其高溫下內(nèi)擴(kuò)散嚴(yán)重，基體元素容易擴(kuò)散至表面使涂層失效。另外貴金屬價(jià)格昂貴不利于大范圍應(yīng)用。5.復(fù)合陶瓷基阻擋涂層：主要指陶瓷基氧化物、氮化物、硼化物的涂層或多元復(fù)合涂層，這種涂層具有很高的抗氧化性和耐鹽霧腐蝕性，而且其與合金基體具有較大的擴(kuò)散長(zhǎng)度，合金基體元素不易擴(kuò)散至表面發(fā)生失效。但這種阻擋涂層通常力學(xué)性能與基體差距較大，在長(zhǎng)期熱沖擊的條件下很容易發(fā)生開(kāi)裂和脫落。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用溫度日益升高、使用環(huán)境日漸苛刻，不僅要求高溫合金使用溫度達(dá)到950℃以上，而且能滿(mǎn)足抗冷熱沖擊、耐高溫(700℃以上)鹽霧腐蝕，兼容氧化性氣氛(充分燃燒)和還原性氣氛(不充分燃燒)長(zhǎng)期(100h以上)使用的要求，目前尚無(wú)一類(lèi)涂層能夠完全滿(mǎn)足上述應(yīng)用條件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)以上提出的問(wèn)題，本專(zhuān)利技術(shù)的目的是要解決目前高溫合金在高溫鹽霧的環(huán)境中易腐蝕的問(wèn)題，提供一種含有鎳基合金且能夠在1000℃下氧化性和還原性氣氛中使用、承受750℃長(zhǎng)期鹽霧腐的多層復(fù)合涂層的制備方法。該方法包括以下步驟：步驟一、基板的預(yù)處理：將鎳基合金表面用砂紙打磨處理，去除表面的沾污雜質(zhì)，放入丙酮溶劑中超聲3-5min，去除表面的打磨粉體和殘余的有機(jī)物，超聲后放置于超凈臺(tái)用紅外烘干燈干燥5-15min。步驟二、Al-Si底層的制備：基板表面進(jìn)行離子清洗，清洗時(shí)間控制在3-5min，在室溫條件下，通過(guò)射頻濺射在基板表面一層薄Al-Si合金層，時(shí)間為10-30min，濺射后移入真空退火爐中，控制在800-1000℃退火30-60min，采用隨爐冷卻的方式。步驟三、Ti3Si(Al)C2連接層的制備：將退火后的基板置入磁控濺射室，采用Ti3Si(Al)C2靶材進(jìn)行直流濺射，表面功率密度為10-100W/cm2，基板溫度控制在200-400℃，濺射時(shí)間控制在0.5-2h。步驟四、富鋁型Al-Ti-Cr-Si-N梯度層的制備：將上述鍍Ti3Si(Al)C2的連接層放入電弧離子鍍?cè)O(shè)備中，通過(guò)Ti-Al、Al-Si、Cr靶在Ar-N2氣氛中進(jìn)行電弧反應(yīng)合成富鋁型Al-Ti-Cr-Si-N梯度層，控制基板溫度150-450℃，控制負(fù)偏壓為100-600V，靶材弧流控制在30-200A，反應(yīng)合成時(shí)間控制在3-6h。步驟五、納米Si3N4嵌入層的制備：將上述制備的富鋁型Al-Ti-Cr-Si-N梯度層通過(guò)磁控濺射嵌入納米Si3N4，首先用氬氣進(jìn)行預(yù)濺射1-5min，進(jìn)行富鋁梯度層的表面激活，去除靶表面等雜質(zhì)，然后通過(guò)射頻濺射制備納米Si3N4嵌入層，將基板溫度控制在350-600℃，控制射頻功率為1.5-2.5kw，濺射時(shí)間為0.5-3h。步驟六、退火處理：將上述得到的基板放入真空退火爐中進(jìn)行退火，退火溫度控制在800-1000℃，退火時(shí)間控制在2-8h，獲得最終基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層。步驟一中所述打磨砂紙的目數(shù)為200目-1200目。步驟二中所述退火爐的升溫速率小于5℃/min。步驟三中所述Ti3Si(Al)C2靶材的純度為99％。本專(zhuān)利技術(shù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：(1)本專(zhuān)利技術(shù)采用多元復(fù)合涂層技術(shù)。外表面采用嵌入式納米Si3N4薄膜技術(shù)，具有極高的耐氧化能力，薄膜長(zhǎng)期在氧化性氣氛中使用溫度可以高達(dá)1100℃，同時(shí)氧化性和還原性更替存在的環(huán)境下仍然具有極高的熱穩(wěn)定性，在鹽霧耐受性溫度可以達(dá)到850℃。(2)采用基板過(guò)渡層(Al-Si)連接層(Ti3Si(Al)C2)梯度層(Al-Ti-Si-Cr-N)三層匹配層結(jié)構(gòu)，通過(guò)各匹配層之間的共有原子擴(kuò)散形成化學(xué)鍵及相互接近的熱膨脹系數(shù)，使復(fù)合涂層抗熱震性大幅度增強(qiáng)。(3)超薄納米Si3N4嵌入Al-Ti-Si-Cr-N技術(shù)，可以避免滲透氧導(dǎo)致超過(guò)900℃導(dǎo)致的鉻氧化物揮發(fā)失效，即使在極高熱沖擊及鹽霧雙重作用下，下層Al-Ti-Si-Cr-N梯度層會(huì)迅速形成一層超薄氧化物與納米Si3N4層嵌入層產(chǎn)生強(qiáng)結(jié)合力以避免其進(jìn)一步腐蝕，因此其具有較高的使用壽命。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：圖1為基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層示意圖；a.Si3N4嵌入層；b.Al-Ti-Cr-Si-N梯度層；c.Ti3Si(Al)C2連接層；d.Al-Si過(guò)渡層；e.鎳基合金基體。具體實(shí)施方式實(shí)施例1將鎳基合金表面用200目和600目的砂紙打磨，在丙酮中超聲5min，目的是去除表面的打磨粉體和殘余的有機(jī)物，超聲后放置于超凈臺(tái)用紅外烘干燈干燥5min后，對(duì)基板表面進(jìn)行5min的離子清洗，室溫濺射Al-Si過(guò)渡層，濺射時(shí)間20min，濺射后真空850℃退火30min，移回磁控濺射室，300℃直流濺射Ti3Si(Al)C2連接層，濺射表面功率密度為30W/cm2，濺射時(shí)間1.5h。完成濺射后基板放入電弧離子鍍?cè)O(shè)備中，在Ar-N2氣氛中400℃條件下電弧反應(yīng)合成富鋁型Al-Ti-Cr-Si-N梯度層，負(fù)偏本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、基板的預(yù)處理：將鎳基合金表面用砂紙打磨處理，去除表面的沾污雜質(zhì)，放入丙酮溶劑中超聲3?5min，超聲后放置于超凈臺(tái)用紅外烘干燈干燥5?15min步驟二、Al?Si底層的制備：基板表面進(jìn)行離子清洗，清洗時(shí)間控制在3?5min，在室溫條件下，通過(guò)射頻濺射在基板表面一層薄Al?Si合金層，時(shí)間為10?30min，濺射后移入真空退火爐中，控制在800?1000℃退火30?60min，采用隨爐冷卻的方式。步驟三、Ti3Si(Al)C2連接層的制備：將退火后的基板置入磁控濺射室，采用Ti3Si(Al)C2靶材進(jìn)行直流濺射，表面功率密度為10?100W/cm

【技術(shù)特征摘要】
1.基于高溫鎳基合金的多層復(fù)合耐高溫腐蝕涂層的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、基板的預(yù)處理：將鎳基合金表面用砂紙打磨處理，去除表面的沾污雜質(zhì)，放入丙酮溶劑中超聲3-5min，超聲后放置于超凈臺(tái)用紅外烘干燈干燥5-15min步驟二、Al-Si底層的制備：基板表面進(jìn)行離子清洗，清洗時(shí)間控制在3-5min，在室溫條件下，通過(guò)射頻濺射在基板表面一層薄Al-Si合金層，時(shí)間為10-30min，濺射后移入真空退火爐中，控制在800-1000℃退火30-60min，采用隨爐冷卻的方式。步驟三、Ti3Si(Al)C2連接層的制備：將退火后的基板置入磁控濺射室，采用Ti3Si(Al)C2靶材進(jìn)行直流濺射，表面功率密度為10-100W/cm2，基板溫度控制在200-400℃，濺射時(shí)間控制在0.5-2h。步驟四、富鋁型Al-Ti-Cr-Si-N梯度層的制備：將上述鍍Ti3Si(Al)C2的連接層放入電弧離子鍍?cè)O(shè)備中，通過(guò)Ti-Al、Al-Si、Cr靶在Ar-N2氣氛中進(jìn)行電弧反應(yīng)合成富鋁型Al-Ti-Cr-Si-N梯...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉博，楊殿來(lái)，許壯志，薛健，張明，周巖，李磊，岳鑫，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：遼寧省輕工科學(xué)研究院，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：遼寧,21