專利名稱：：一種Al-O-N擴(kuò)散阻擋層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及涂層技術(shù)，具體地說是一種Al-O-N擴(kuò)散阻擋層及制備方法。
背景技術(shù)：
：燃?xì)廨啓C(jī)葉片用高溫防護(hù)涂層對其使役壽命至關(guān)重要，迄今燃?xì)廨啓C(jī)葉片經(jīng)歷了鉬化物擴(kuò)散涂層，鉑鋁化物擴(kuò)散涂層，MCrAlY(lVNM和/或Co)涂層和熱障涂層四代的發(fā)展。作為第三代燃?xì)廨啓C(jī)葉片涂層材料，MCrAlY涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化腐蝕的性能，而皿本不影響基體合金的力學(xué)性能，因此目前在全世界范圍內(nèi)作為高溫防護(hù)涂層材料或熱障涂層的粘結(jié)底層材料被普遍研究和應(yīng)用。相關(guān)應(yīng)用的文獻(xiàn)如①中國發(fā)明專利，一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法，申請?zhí)?1133423.1;②中國發(fā)明專利，一種抗氧化熱障涂層及制備方法，申請?zhí)?2133193.6;③中國發(fā)明專利，一種抗熱沖擊熱障涂層的制備方法，申請?zhí)?3133344.3;中國發(fā)明專利，一種MCoCrAlYS氾抗熱腐蝕涂層及其制備方法，申請?zhí)?3m363,X;等等。但是，在燃?xì)廨啓C(jī)葉片服役的高溫環(huán)境下長時(shí)間工作，MCrAlY涂層與高溫合金基體間的元素互擴(kuò)散會顯著加劇，將導(dǎo)致很多不良后果:(1)MCrAlY涂層中Cr、Al元素向基材內(nèi)部擴(kuò)散，影響了涂層表面保護(hù)性氧化膜的持續(xù)生長，使涂層體系遭受嚴(yán)重的高溫氧化而失效；(2)互擴(kuò)散在涂層與基條面區(qū)產(chǎn)生柯肯達(dá)爾孔穴，使MCrAlY涂層與基體的結(jié)合力下降；(3)擴(kuò)散區(qū)形成的空洞降低體系疲勞強(qiáng)度；(4)擴(kuò)散區(qū)形成的大尺寸金屬間化合物會增加裂紋生長逸度，導(dǎo)致基材斷裂，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此，為保證高溫防護(hù)涂層的長期高溫穩(wěn)定性，需要在MCrAlY涂層和高溫合金間加擴(kuò)散阻擋層，抑制涂層與基材間的元素互擴(kuò)散。大多數(shù)元素在A1203中的擴(kuò)散系數(shù)非常低，用公式x:C^可以估算元素在Al203中的擴(kuò)散。在110(TC下，取C^，經(jīng)過104小時(shí)后，Al在Al203中擴(kuò)散的距離還不到0.1微米；經(jīng)過100小時(shí)，&在0"203中的擴(kuò)散距離超過30微米；經(jīng)過l小時(shí)，Co在CoO中的擴(kuò)散距離達(dá)到50微米。盡管這些數(shù)據(jù)只是塊體材料中的擴(kuò)散數(shù)值，但也定性的說明了Al203是一種優(yōu)良的惰性化合物阻擋層。另外,Al203化學(xué)性質(zhì)極穩(wěn)定，抗氧化性能良好，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的主要成分是A1203,在多晶A1203中摻雜N元素生成細(xì)小A1N顆粒彌散分布在多晶A1203中的結(jié)構(gòu)可以改善陶瓷膜的韌性,這也是選擇多晶Al-O-N薄膜作為擴(kuò)散阻擋層的主要原因。至今，采用多晶Al-O-N薄膜作為MQA1Y涂層和高溫合金間的擴(kuò)散阻擋層尚未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容為了抑制MCrAlY涂層與高溫合金基體間的金屬元素互擴(kuò)散，提高涂層的高溫穩(wěn)定性，本發(fā)明的目的在于提供一種有效的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層及制備方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的相結(jié)構(gòu)以a-Al203為主，原子百分比占60~90%;并含有六方的A1N，原子百分比占10~40%。本發(fā)明以純鋁為靶材，控制反應(yīng)過程中02和N2流量，采用電弧離子鍍技術(shù)在高溫合金基體上沉積Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，然后釆用電弧離子鍍技術(shù)沉積MCrAlY涂層。具體制備過程及參數(shù)為步驟1)電弧離子鍍之前對試樣進(jìn)行預(yù)處理，試樣經(jīng)金相砂紙研磨至ioocf后，用粒度60~220目的玻璃球在25個(gè)大氣壓下對試樣進(jìn)行濕噴砂；噴砂過程中，保持噴槍與試樣表面呈7080度角。噴砂后，用無水酒精、蒸餾水超聲清洗試樣；通過預(yù)處理，以改善基體的表面情況，增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。步驟2)在預(yù)處理后的高溫合金基體上電弧離子鍍制備Al-O-N擴(kuò)散阻擋層；試樣裝爐后，將樣品室抽至2.0xl(r31.0xl(T2pa,通入Ar氣，壓力為5xl(T2~3xl0"Pa,€1莫前加-600~-1000V的偏壓進(jìn)行輝光放電轟擊基體表面2~8min,弧電流為60~80A，弧電壓為20-40V,高壓轟擊能有效去除基體表面的污染物；轟擊結(jié)東后，iIA氧氣和氮?dú)?，控制氧氮的流?~260sccm(氧氮的流量優(yōu)選范圍為02:15~30sccm，N2:230~245sccm),工作壓強(qiáng)2xl(T1~1Pa,脈沖偏壓0~-400V，占空比20~40%，沉積時(shí)間2(K50min,阻擋層厚度為l5nm;步驟3)制備抗氧化涂層。與MCrAlY(M=M,Co或Ni+Co)防護(hù)涂層結(jié)合應(yīng)用，在Al-O-N擴(kuò)散阻擋層上采用電弧離子鍍制備抗氧化MQA1Y涂層，厚度約20~50,,電弧離子鍍制備MCrAlY涂層的工藝參數(shù)如下通入Ar氣，壓力為5xl0-2~5xl0"Pa，偏壓-50~-350V,弧電流為5080A,弧電壓為10-40V,占空比0~40%，沉積時(shí)間300~900min，厚度為20-50pm;所述MCrAlY涂層合金成分，按質(zhì)量百分比計(jì)，Co為(M0%,Cr為1540%,Al為6~16%，Y為0.1-1%,Si為0-2%,Hf為0-1.5%,B為0-0.2%,M為余量。沉積涂層后樣品進(jìn)行真空熱處理，以<8"C/分的逸度升溫，在550^650。C下保溫05小時(shí)，然后在70(K900。C下保溫小時(shí)，樣品隨爐冷卻，真空度〈lxlO"Pa。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、阻擋合金元素?cái)U(kuò)散性能優(yōu)。本發(fā)明Al-0-N擴(kuò)散阻擋層以(x-Al203為主，許多元素在a-Al203晶體中的擴(kuò)散系數(shù)非常低，比在其他陶瓷相和合金相中小4-6個(gè)數(shù)量級或者更多。2、良好的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明釆用電弧離子鍍(AIP)方法具有高離化率、高離子能量的優(yōu)點(diǎn)，制備的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層和MCrAlY防護(hù)涂層結(jié)合強(qiáng)度高。3、本發(fā)明制備成本低，操作工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。4、本發(fā)明所涉及的這種Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，組織致密，與基體結(jié)合良好，在高溫氧化條件下能有效斷氐MCrAlY涂層與高溫合金基體間金屬元素互擴(kuò)散，改善MCrAlY涂層的高溫性能，是一種性能優(yōu)異、有應(yīng)用前景的擴(kuò)散阻擋層。5、本發(fā)明適用于鎳基高溫合金。圖1為不同氧氮流量下制備的Al-O-N薄膜的XRD圖譜。圖2(a)-(b)為DSMll/NiCoCrAlY(a)、DSM11/Al-ON/NiCoCrAlY(b)涂層樣品1050。C下氧化100h后截面元素分布。圖3(a)-(d)為DSMll/NiCoCrAlY(a)、DSM11/Al-0-N/NiCoCrAlY(b)涂層樣品90(TC下氧化1400h后截面形貌和相應(yīng)元素線掃描。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1本實(shí)施例為在1Crl8M9Ti不銹鋼基體上沉積Al-O-N薄膜，試樣尺寸為15mmxl0mmx2mm,乾材為純銷乾。離子働莫前對基材進(jìn)行研磨、噴砂和清洗處理，釆用粒度6(K220目的玻璃來在25個(gè)大氣壓下對試樣進(jìn)行濕噴砂，噴砂過程中，保持噴槍與試樣表面呈7080度角；噴砂后，用無水酒精、蒸餾水超聲清洗試樣。將試樣裝爐后，樣品室抽至6.0xl(^Pa,通入Ar氣至壓力為7xl(^Pa，在畫1000V的偏壓轟擊基體表面4min,弧電流為6070A,弧電壓為2030V;轟擊結(jié)束后，通入氧氣和氮?dú)猓趿髁繛?5、30sccm,對應(yīng)的氮流量為245和230sccm,脈沖偏壓為-300V，占空比30%,沉積時(shí)間30min，獲得23,厚的Al-O-N薄膜。圖1為不同氧氮流量下制備的Al-O-N薄膜的XRD圖譜。可以看出，電弧離子鍍技術(shù)制備的Al-O-N膜為多晶膜，相結(jié)構(gòu)以a-Al203為主，同時(shí)含少量的六方A1N相和金屬Al(其中金屬Al的原子百分比在5%以下)。氣體總量為260sccm,在N2流量為230sccm時(shí)，薄膜中纖鋅礦結(jié)構(gòu)的六方A1N的衍射峰較弱，僅可見，A1N與Al相原子百分比占10~16%間；當(dāng)N^流量為245sccm時(shí)，Al-O-N膜除了在衍射角為37.8。和43.3°處出現(xiàn)了a-A1203(110)和(113)的強(qiáng)衍射峰外，同時(shí)于衍射角33.2。和36.0°處出現(xiàn)A1N(100)和(002)的衍射峰，但薄膜仍以a-Al203相為主，原子百分比占60~83%;在各種Al-O-N薄膜中，金屬Al的衍射峰較弱，僅可見。試驗(yàn)表明，當(dāng)氧流量30260sccm,氮流量2300sccm時(shí)，Al-O-N膜分別于衍射角為37.8。和43.3°處出現(xiàn)了(110)和(113)的強(qiáng)衍射峰,沒有出現(xiàn)A1N的衍射峰。實(shí)施例2本實(shí)施例為Al-O-N擴(kuò)散阻擋層在DSMll高溫合金基體上的應(yīng)用。試樣尺寸為15x10x2mm3?；w經(jīng)金相砂紙研磨，清洗和噴砂處理(220目玻璃丸，濕噴)。在國產(chǎn)MP-8-800型電弧離子鍍設(shè)備上沉積Al-O-N薄膜和MCoCrAlY涂層，陰極靶材分別為金屬銷(99%,wt.%)和M32Co20Cr8Al0.5Y(wt。/。)合金，先沉積23,厚的Al-O-N薄膜，再沉積4(K50ium的MCoCrAlY涂層，沉積工藝參數(shù)見表l。涂層后樣品進(jìn)行真空熱處理，以〈8"C/min的速度升溫，在900'C下保溫4小時(shí),樣品隨爐冷卻，真空度〈lx10"Pa。表l實(shí)施例2中電弧離子鍍工藝參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>制備的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層可以成功阻擋NiCoCrAlY涂層和DSM11合金基體間的元素互擴(kuò)散，如圖2(a)-(b)為1050。C靜態(tài)空氣下氧化100小時(shí)的情況，圖3(a)-(d)為900。C靜態(tài)空氣下氧化1400小時(shí)的情況。在沒有擴(kuò)散阻擋層的樣品中，NiCoCrAlY涂層和DSMll高溫合金基體間互擴(kuò)散明顯，Ni,Ti，Cr和Co等元素?zé)o濃度梯度(圖2(a)和圖3(a)-(b));在含有Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的樣品中，阻擋層與MCoCrAlY涂層和DSMll基體結(jié)合良好，Ni，UCr和Co等元素在阻擋層附近呈明顯的梯度分布(圖2(b)和圖3(c)-(d)),尤其是明顯抑制了對MCoCrAlY涂層高溫氧化性能不利的Ti元素的向外擴(kuò)散。權(quán)利要求1.一種Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，其特征在于，擴(kuò)散阻擋層的相結(jié)構(gòu)以α-Al2O3為主，原子百分比占60～90％；并含有六方的AlN，原子百分比占10～40％。2.按照權(quán)利要求l所述的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，其特征在于所述Al-O-N擴(kuò)散阻擋層厚度為1~5拜。3.按照權(quán)利要求l所述的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于釆用電弧離子鍍技術(shù)，以純鋁為靶材，控制反應(yīng)過程中02和N2流量，在高溫合金基體上沉積Al-O-N擴(kuò)散阻擋層。4.按照權(quán)利要求3所述的Al-0-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于電弧離子鍍之前對試樣進(jìn)行預(yù)處理，釆用粒度60220目的玻璃球，在2-5個(gè)大氣壓下對試樣進(jìn)行濕噴砂，噴砂過程中，保持噴槍與試樣表面呈7080度角；噴砂后，用無水酒精、蒸餾水超聲清洗試樣。5.按照權(quán)利要求3所述的Al-0-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于，電弧離子鍍制備阻擋層過程如下在預(yù)處理后的高溫合金基體上沉積Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，試樣預(yù)處理后裝爐，將真空室抽至2.0xl0d1.0xl(r2Pa;通入Ar氣，壓力為5x10-2~3xlO"Pa;4剷莫前加-600~-1000V的偏壓弧光放電轟擊基體表面28min,弧電流為6080A，弧電壓為20-40V;對基體轟擊結(jié)束后，通入氧氣和氮?dú)獬练eAl-O-N擴(kuò)散阻擋層，氧氮的流量控制在0~245sccm,工作壓強(qiáng)2xlO"lPa，脈沖偏壓0-400V,占空比20~40%,沉積時(shí)間20~50min。6.按照權(quán)利要求5所述的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于所述氧氮的流量優(yōu)選范圍為02:15~30sccm,N2:230~245sccm。7.按照權(quán)利要求3所述的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于基體為鎳基高溫合金。8.按照權(quán)利要求3所述的Al-O-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于與MCrAlY防護(hù)涂層結(jié)合應(yīng)用，在Al-O-N擴(kuò)散阻擋層上釆用電弧離子鍍制備抗氧化MCrAlY涂層,厚度約20~50|nm,具體工藝參數(shù)如下:通入Ar氣,壓力為5xl0—2~5xlO"Pa,偏壓-50--350V,弧電流為50-80A,弧電壓為10~40V，占空比0~40%;所述MCrAlY涂層合金成分，按質(zhì)量百分比計(jì)，Co為0^40%,Cr為1540%，Al為6~16%，Y為0.1-1%,Si為0-2%,Hf為0-1.5%，B為0-0.2%，Ni為余量。9.按照權(quán)利要求8所述的Al-0-N擴(kuò)散阻擋層的制備方法，其特征在于涂層后樣品進(jìn)行真空熱處理，以〈8。C/分的速度升溫，在550^650。C下保溫(K5小時(shí)，然后在700^900。C下保溫^8小時(shí)，樣品隨爐冷卻，真空度〈lxlO"Pa。全文摘要本發(fā)明涉及涂層技術(shù)，具體地說是一種Al-O-N擴(kuò)散阻擋層及制備方法，與MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co)防護(hù)涂層結(jié)合應(yīng)用；采用電弧離子鍍技術(shù)，以純鋁為靶材，控制反應(yīng)過程中O₂和N₂的流量，在高溫合金基體上沉積Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，然后采用電弧離子鍍技術(shù)沉積MCrAlY涂層。本發(fā)明所涉及的這種Al-O-N擴(kuò)散阻擋層，組織致密，與基體結(jié)合良好，在高溫氧化條件下能有效降低MCrAlY涂層與高溫合金基體間金屬元素互擴(kuò)散，改善MCrAlY涂層的高溫性能；而且工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種性能優(yōu)異、有應(yīng)用前景的擴(kuò)散阻擋層，適用于鎳基高溫合金。文檔編號C23C14/02GK101314853SQ20071001152公開日2008年12月3日申請日期2007年6月1日優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日發(fā)明者劉山川,勇姚,超孫,駿宮,李偉洲,王啟民,聞立時(shí),鮑澤斌申請人:中國科學(xué)院金屬研究所