一種NiTiAl-X多元合金涂層及其制備方法和應用技術

本申請涉及金屬涂層技術領域，具體涉及一種NiTiAl

【技術實現步驟摘要】
一種NiTiAl
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X多元合金涂層及其制備方法和應用


[0001]本申請涉及金屬涂層
，特別是涉及一種NiTiAl
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X多元合金涂層及其制備方法和應用。

技術介紹

[0002]海洋船舶的螺旋槳、水輪機的轉輪葉片、導向葉片、頂環和底環襯套等過流部件，在含沙水流中運行時，由于空蝕和沙漿沖蝕以及二者的聯合作用，會產生嚴重的損壞。因此，采用合適的表面工程技術強化過流部件的抗空蝕和抗沖蝕性能，是提高過流部件使用壽命的關鍵。
[0003]空蝕又稱為汽蝕，其原理為液體流動時，當局部區域的壓力在溫度基本保持不變的條件下突然下降形成氣泡，氣泡由低壓區進入高壓區時突然潰滅，氣泡潰滅后產生的高速射流不斷沖擊材料表面，從而使得過流部件材料損壞甚至表面被侵蝕。泥沙的沖蝕作用屬于水流動力學磨粒磨損。含沙水流會對高速運轉的水輪機產生巨大沖擊力，水中的固體顆粒會沖撞和切割流道，導致過流部件表面發生磨損。
[0004]目前，國內外常采用在水輪機等過流部件上制備涂層的方法來提高其抗空蝕和抗沖蝕性能。按材質區分，常用的涂層有金屬涂層和非金屬涂層。環氧樹脂、聚氨酯等非金屬涂層雖然成本較低、工藝簡單，但是存在與基體結合強度低以及在強空化區長期的脈動負壓下容易剝落等問題。金屬涂層主要采用熱噴涂工藝、堆焊和激光熔覆技術：熱噴涂金屬陶瓷涂層與基體及陶瓷粉末顆粒之間主要依靠機械結合，組織中存在孔隙，因此結合強度不高；堆焊工藝存在焊層厚度不均勻，熔合區變脆，容易產生裂紋等問題，并且加工余量大，對基材的可焊接性能要求高；激光熔覆涂層結合強度高，組織均勻，抗磨蝕性能優異，但是仍存在熔覆過程中易出現裂紋的問題。
[0005]金屬涂層中，NiTi合金具有良好的超彈性與形狀記憶效應，可以吸收空化氣泡潰滅時產生的巨大能量，具有優異的抗空蝕性能。但NiTi合金硬度較低，導致其抗磨損性能較差。因此，可采用合金元素來強化NiTi基體相，制備出同時具有抗空蝕和抗磨損性能的復合涂層材料。

技術實現思路

[0006]相關研究表明，添加合金元素的NiTi涂層處于馬氏體狀態時，其綜合耐蝕性能更優。在NiTi合金中加入Al，NiTiAl合金在保留形狀記憶效應的同時，還具有較高的屈服強度和一定的彈性。這是由于加入Al元素后，NiTi合金的馬氏體相變溫度點大幅下降，少量Al的加入可以使其在室溫下就處于馬氏體狀態。空蝕過程中，氣泡潰滅產生的局部壓力可達1.2GPa，如此高的壓力可誘發NiTi相中馬氏體孿晶形成，從而吸收能量，降低對合金表面的損傷。NiTiAl合金在壓縮下可以承受高達1.7GPa的循環應力，表現出超過5%的可恢復彈性應變。因此，NiTiAl合金同時兼具抗空蝕和抗磨損性能，在耐空蝕、沖蝕領域體現出一定的應用潛力。然而，由于NiTi系列合金價格昂貴，冷加工性能差，NiTiAl合金存在晶界析出相
與元素偏聚等問題，目前在螺旋槳及水輪機過流部件表面抗空蝕和抗沖蝕磨損方面尚無應用。采用涂層材料可一定程度上緩解塊體材料價格昂貴、加工困難等問題，并且通過加入合金元素，還可進一步調控涂層材料的整體性能，一定程度上減少材料中存在的偏析、夾雜等問題。
[0007]有鑒于此，本申請的第一個目的是提供一種兼具抗空蝕和抗沖蝕性能的NiTiAl
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X多元合金涂層，該涂層具有優異的抗空蝕和抗沖蝕性能，可以應用于海洋、船舶、運輸、核電等領域，有效提高高壓管道、螺旋槳及水輪機等過流部件的使用壽命。
[0008]本申請的第二個目的是在上述涂層的基礎上進行涂層制備工藝的優化設計，提供一種制備上述NiTiAl
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X多元合金涂層的方法。
[0009]為實現上述目的，本申請采用以下技術方案：第一方面，本申請提供一種NiTiAl
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X多元合金涂層，對相關技術中的NiTi合金耐空蝕涂層作出改進，通過添加0.5～4at.%的Al元素，起到固溶強化的作用，增強了涂層的耐磨性與屈服強度。進一步的，在NiTiAl合金的基礎上通過添加過渡元素Nb、Mo、Cu或V來調控材料的微觀組織，從而改善NiTiAl合金涂層的晶界析出相導致的涂層疲勞損傷，同時提高了涂層與基體的粘結力，從而進一步提升合金的耐空蝕、沖蝕性能。
[0010]具體的，所述NiTiAl
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X多元合金涂層由NiTiAl
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X四元合金材料制成，其中，X選自過渡族金屬Nb、Mo、Cu或V中的一種，所述涂層中Ni、Ti、Al、X的原子比為：45～50:45～50:0.5～4:0.5～4。
[0011]優選的，當X元素選用Nb時，Ni：Ti：Al：Nb=47.5～50:45～47.5:1～3:2～4；當X元素選用Mo時，Ni：Ti：Al：Mo=45～47:47～50:4:1～4；當X元素選用Cu時，Ni：Ti：Al：Cu=45～50:45～50:1～2:3～4；當X元素選用V時，Ni：Ti：Al：V=47.5～49.5:47.5～48.5:0.5～2.5:0.5～2.5。
[0012]第二方面，本申請提供一種上述第一方面的NiTiAl
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X多元合金涂層的制備方法，首先通過合金熔煉技術制備得到NiTiAl
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X多元合金的鑄錠，從鑄錠切割獲得靶材，再通過磁控濺射技術將靶材沉積在基體材料表面獲得NiTiAl
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X多元合金涂層。
[0013]具體的，該制備方法包括以下步驟：（1）NiTiAl
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X多元合金鑄錠的制備：采用純度大于99wt.%的Ti源、Ni源、Al源以及純X源制備原子比為Ni：Ti：Al：X= 45～50:45～50:0.5～4: 0.5～4的NiTiAl
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X多元合金鑄錠；采用上述高純度Ti、Ni、Al、X源的原因在于降低合金中雜質對涂層耐空蝕、耐沖蝕性能的影響，提升所濺射涂層的致密度。
[0014]（2）磁控濺射靶材的制備：以步驟（1）獲得的NiTiAl
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X多元合金鑄錠為原材料，切割加工得到NiTiAl
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X合金靶材；優選的，可以采用電火花線切割加工從NiTiAl
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X多元合金鑄錠上切割獲得上述NiTiAl
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X合金靶材，采用電火花線切割加工的原因在于，加工后靶材的刀口非常小，大大提高了材料利用率，降低了材料成本。
[0015]（3）NiTiAl
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X多元合金涂層的制備：使用步驟（2）所得的NiTiAl
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X合金靶材，用磁控濺射設備在基體上沉積得到NiTiAl
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X多元合金涂層。
[0016]優選的，所述步驟（1）中，NiTiAl
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X多元合金鑄錠通過真空電弧熔煉技術制備，每
個合金鑄錠需翻轉并熔化至少四次，以獲得成分和微觀結構均勻的合金鑄錠。采用真空電弧熔煉技術制備合金鑄錠的原因在于，所制備的合金鑄錠成分均勻，不會發生氧本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種NiTiAl
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X多元合金涂層，其特征在于，所述涂層由NiTiAl
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X四元合金材料制成，其中，X選自過渡族金屬Nb、Mo、Cu或V中的一種，且所述涂層中Ni、Ti、Al、X的原子比為：45～50:45～50:0.5～4:0.5～4；在標準空蝕、沖蝕測試條件下，該涂層的空蝕平均侵蝕速度≤12.7MDE/μm，沖蝕平均侵蝕速度≤9.9MDE/μm。2.根據權利要求1所述的NiTiAl
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X多元合金涂層，其特征在于，所述X選用Nb時，Ni：Ti：Al：Nb=47.5～50:45～47.5:1～3:2～4，且 Ni/Ti的比值≥1；在標準空蝕、沖蝕測試條件下，該涂層的空蝕平均侵蝕速度≤11.1MDE/μm，沖蝕平均侵蝕速度≤9.9MDE/μm。3.根據權利要求1所述的NiTiAl
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X多元合金涂層，其特征在于，所述X選用Mo時，Ni：Ti：Al：Mo=45～47:47～50:4:1～4，且Ni/Ti的比值≤1；在標準空蝕、沖蝕測試條件下，該涂層的空蝕平均侵蝕速度≤6.0MDE/μm，沖蝕平均侵蝕速度≤5.1MDE/μm。4.根據權利要求1所述的NiTiAl
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X多元合金涂層，其特征在于，所述X選用Cu時，Ni：Ti：Al：Cu=45～50:45～50:1～2:3～4；在標準空蝕、沖蝕測試條件下，該涂層的空蝕平均侵蝕速度≤12.7MDE/μm，沖蝕平均侵蝕速度≤8.9MDE/μm。5.根據權利要求1所述的NiTiAl
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X多元合金涂層，其特征在于，所述X選用V時，Ni：Ti：Al：V=47.5～49.5:47.5～48.5:0.5～2.5:0.5～2.5；在標準空蝕、沖蝕測試條件下，該涂層的空蝕平均侵蝕速度≤9.6MDE/μm，沖蝕平均侵蝕...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭立靜，徐惠彬，張虎，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：