專利名稱：采用低壓等離子噴涂制備Al-Si-Cr涂層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種涂層的制備方法，更特別地說，是指一種采用低壓(30~ 4Oxl0Va)等離子噴涂方法在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上制備出具有高溫(1000 1250°C)抗氧化性能的A1-Si-Cr涂層。 背《& *航空航天技術的高度發(fā)展，要求發(fā)動機具有更高的推重比及工作效率，這便要求 發(fā)動機具有更高的工作溫度。研制替代現(xiàn)有鎳基超合金作為未來飛行器發(fā)動機超高溫 部件的材料勢在必行。Nbss/NbsSi3原位復合材料具有高熔點(>1700°C)、高剛度、 低密度(7.1 8.4g/c^)以及極高的高溫強度，近年來備受關注。Nb基固溶體(Nbss) 具有良好的室溫韌性。NbsSig與Nbss兩相通過恰當組合，可獲得強韌性配合優(yōu)異的 超高溫材料。伹是鈮基合金的抗氧化能力極差，60(TC以上發(fā)生嚴重氧化，使得它在 熱環(huán)境中的應用受到了限制。因此發(fā)展高溫防護涂層技術成為鈮及其合金應用的主要 研究方向。Al、 Cr、 Si三種元素具有優(yōu)越的高溫抗氧化作用，它們的氧化物八1203、 Si02 和<^203能夠阻擋氧的擴散，阻止氧化的進一步進行。Al、 Cr、 Si經(jīng)化合形成許多化合物，這些化合物都具有很好的高溫抗氧化性能，伹部分化合物受其熔點的影響， 限制了其高溫應用。Cr(Al, Si)2抗氧化性好，熔點高(>1250°C)。因而具有很高的高溫抗氧化應用價值。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種采用低壓等離子噴涂制備Al-Si-Cr涂層的方法，通過 在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上制備出Al-Si-Cr涂層，使得基體與涂層之間 形成了一厚度為5 15/^互擴散層，互擴散層中的含有Nb、 Al、 Si、 Ti、 Cr元素; Al-Si-Cr混合涂層中存在有Cr(Al， Si)2、 Si和Al等物質(zhì)，在高溫1000~ 1250^
氧化時能夠形成連續(xù)、致密的Al203和Si02混合氧化物層，從而阻止涂層和基體的進一步被氧化，改善了 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體的抗高溫氧化性能。本發(fā)明是 一 種采用低壓30 40 xl(f戸等離子噴涂工藝在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上制備有Al-Si-Cr涂層的方法,其有下列制備步驟 第一步基體的前處理將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體采用150弁、360弁、500弁水磨砂紙磨光， 并釆用噴砂機進行表面噴砂處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ=60~80//m ; 第二步配制涂層材料(A) 稱取30 35wt。/。的Al粉、30 33wt。/o的Cr粉、32 40wt。/。的Si粉， 并且上述各成分的含量之和為100%,混合后經(jīng)研磨30 150min后制得粒度為 250 350目的第一混合粉末；(B) 將經(jīng)(A)步驟制得的第一混合粉末與粘結(jié)劑混合后經(jīng)研磨250 400min 后制得粒度為250 350目的第二混合粉末；第一混合粉末與粘結(jié)劑的用量為1000g的第一混合粉末中放入1000 1500m/的粘結(jié)劑；所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹膠和去離子7jC在80 10(TC中攪拌均勻制得，阿拉伯樹 膠與去離子水的用量為每100m/去離子水中添加0.5 5g阿拉伯樹膠；(C) 將經(jīng)(B)步驟制得的第二混合粉末經(jīng)霧化干燥造粒后制得粒度為200~ 250目的涂層材料；霧化干燥采用離心霧化方法，所述第二混合粉末經(jīng)恒流泵注入霧化器并立即被霧 化器的剪切力分散成很多細小液滴，其中霧化器轉(zhuǎn)速為8000 20000r/min,霧化 器進口溫度為220 230。C,霧化器出口溫度為130 150°C;第三步低壓等離子噴涂制涂層將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設備的夾具上，并將經(jīng)第二步配 制的涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制Al-Si-Cr涂層；等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力30 40xl03;^，主氣流量為60 100￡"，次氣 流量為25~30丄/力，電流為560 600J,電壓為50 60F，送粉器的送粉量為 20 22g/min。
本發(fā)明Al-Si-Cr涂層通過釆用低壓等離子噴涂工藝制備在 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上，使得基體與涂層之間形成有互擴散層，提高了 基體與涂層之間的結(jié)合力；Al-Si-Cr涂層在高溫1000 1250。C氧化時能夠形成連 續(xù)、致密的Al203和Si02混合氧化物層，從而阻止涂層和基體的進一步被氧化；同 時，互擴散層的厚度增加了 50~100//m，改善了 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基 體的抗高溫氧化性能；經(jīng)1000 1250。C高溫氧化100/2后，制備有涂層的基體表 面單位面積增重為5.6~16.8wg/cm2。


圖1是在基體上制得A1-Si-Cr涂層的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是氧化后的Al-Si-Cr涂層的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明是一種采用低壓30~40)<103;7"等離子噴涂工藝制備的抗高溫氧化 Al-Si-Cr涂層，所述A1-Si-Cr涂層由Al-Si-Cr混合層和互擴散層組成，互擴散層在 Al-Si-Cr混合層與Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體之間，互擴散層厚度為5~ 15 pm 。 Al-Si-Cr混合層由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相組成。互擴散層中含有Nb、 Ti、 Si、 Al和Cr元素。Al-Si-Cr混合層由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相組成?；U散 層中含有Nb、 Ti、 Si、 Al和Cr元素。本發(fā)明是一種釆用低壓30 40x 103戸等離子噴涂制備Al-Si-Cr涂層的方法， 該涂層制備方法有下列步驟第一步基體的前處理將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體釆用150弁、360#、 500弁水磨砂紙磨光， 并采用噴砂機進行表面噴砂處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ=60 80//m ; 第二步配制涂層材料(A) 稱取30 35wt。/。的Al粉、30 33wt。/。的Cr粉、32 40wt。/。的Si粉， 并且上述各成分的含量之和為100%,混合后經(jīng)研磨30 150min后制得粒度為 250 350目的第一混合粉末；(B) 將經(jīng)(A)步驟制得的第一混合粉末與粘結(jié)劑混合后經(jīng)研磨250 400min 后制得粒度為250 350目的第二混合粉末；
第一混合粉末與粘結(jié)劑的用量為lOOOg的第一混合粉末中放入1000~ 1500/ /的粘結(jié)劑；所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹膠和去離子水在so iocrc中攪拌均勻制得，阿拉伯樹膠與去離子水的用量為每100m/去離子水中添加0.5 5g阿拉伯樹膠；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的第二混合粉末經(jīng)霧化干燥造粒后制得粒度為200 250目的涂層材料；霧化干燥釆用離心霧化方法,第二混合粉末經(jīng)恒流泵注入霧化器并立即被霧化器 的剪切力分散成很多細小液滴(粒徑40 80戶)，其中霧化器轉(zhuǎn)速為8000~ 20000Wmin，霧化器進口溫度為220 230°C,霧化器出口溫度為130 150°C;
第三步低壓等離子噴涂制涂層
將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設備的夾具上，并將經(jīng)第二步配 制的涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制A1-Si-Cr涂層；等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力30 40x103/^，主氣流量為60~100Z//i，次氣 流量為25 30丄M，電流為560 600乂，電壓為50~60F ，送粉器的送粉量為 20 22g/min。將上述方法制備的Al-Si-Cr涂層經(jīng)XRD、SEM分析表明，該混合涂層由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相組成，而且制備后的混合涂層與基體之間形成了一層大約5~ 15//m 的互擴散層。將釆用上述方法制備有Al-Si-Cr涂層的基體在高溫1000 1250°C、 100A以 內(nèi)氧化后在Al-Si-Cr混合層上形成含有A1203和Si02的混合氧化物層，進而阻止了 氧向基體的擴散；同時，互擴散層的厚度增加了 50~ 100//m ;單位面積增重為5.6 16.8mg/cw2 。 實施例 1 :
第一步基體的前處理
將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體切割成長13，寬8，高3wwz的長 方形試樣，并釆用150#、 360#、 500#7夂磨砂紙磨光后，采用噴砂機進行表面噴砂 處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ=60~80//w;
第二步配制涂層材料(A) 稱取33.3wt。/。的Al粉、32.1wt。/。的Cr粉、34.6wt。/。的Si粉混合后經(jīng) 研磨100min后制得粒度為250 350目的第一混合粉末；(B) 將經(jīng)(A)步驟制得的第一混合粉末與粘結(jié)劑混合后經(jīng)研磨300min后制 得粒度為250~350目的第二混合粉末；第一混合粉末與粘結(jié)劑的用量為lOOOg的第一混合粉末中放入IOOOW的粘結(jié)劑；所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹膠和去離子水在IO(TC中攪拌均勻制得,阿拉伯樹膠與去 離子水的用量為每lOOm/去離子水中添加lg阿拉伯樹膠；(C) 將經(jīng)(B)步驟制得的第二混合粉末經(jīng)霧化干燥造粒后制得粒度為200 250目的涂層材料；霧化干燥釆用離心霧化方法，第二混合粉末經(jīng)恒流泵注入霧化器并立即被霧化器 的剪切力分散成很多細小液滴(粒徑60 80戶)，其中霧化器轉(zhuǎn)速為15000r/min ， 霧化器進口溫度為225"C，霧化器出口溫度為14CTC;第三步低壓等離子噴涂制涂層將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設備的夾具上，并將經(jīng)第二步配 制的涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制Al-Si-Cr涂層；等離子噴涂參數(shù):罐內(nèi)壓力30><103戸，主氣流量為60丄//7，次氣流量為25￡//|， 電流為580爿，電壓為55r ，送粉器的送粉量為21 g/min 。將上述制得的Al-Si-Cr涂層經(jīng)SEM分析表明，制備的涂層主要由兩層組成 外層為A1-Si-Cr混合層，該混合層中Cr(Si, Al)2、 Al、 Si三相組成；內(nèi)層為涂層與 基體之間的互擴散層，厚度大約為該層由Nb、 Ti、 Si、 Al、 Cr組成，其斷面結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體在大氣氣氛中，經(jīng)過1250。C等溫氧化 100/2時，基體表面單位面積增重為213mg/cm2。將制得有Al-Si-Cr涂層的基體在大氣氣氛中，經(jīng)過125(TC等溫氧化IOOA時， 涂層表面單位面積增重為16.8附g/cm2 。通過對氧化試樣斷面的SEM分析發(fā)現(xiàn)(斷 面結(jié)構(gòu)示意如圖2所示)，氧化以后涂層主要由三層組成外層是Al203和Si02混合
氧化物層;中間層為Al-Si-Cr混合層；內(nèi)層為互擴散層(與基體結(jié)合層，約有)。 氧化后的涂層表面經(jīng)過XRD、 SEM分析表明涂層表面形成了連續(xù)、致密的A1203 和Si02混合氧化物層，從而成功地阻止了氧向基體的擴散。通過對制備有涂層的基體與未制備涂層的基體相比，其單位面積增重降低了大約 200mg/cm2 ，證明制備有涂層的基體具有很好的高溫抗氧化作用。 實施例2 :第一步基體的前處理將Nb-24Ti墨16Si-6Al-6Cr-2Hf基體切割成長13wm ，寬8m附，高的長 方形試樣，并采用150#、 360#、 500弁水磨砂紙磨光后，釆用噴砂機進行表面噴砂 處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ-60 80/zm;第二步配制涂層材料(A) 稱取30wt。/。的Al粉、30wt。/。的Cr粉、40wtQ/。的Si粉混合后經(jīng)研磨 150min后制得粒度為250 350目的第一混合粉末；(B) 將經(jīng)(A)步驟制得的第一混合粉末與粘結(jié)劑混合后經(jīng)研磨400min后制 得粒度為250 350目的第二混合粉末；第一混合粉末與粘結(jié)劑的用量為lOOOg的第一混合粉末中放入1500m/的粘結(jié)劑；所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹膠和去離子水在8CTC中攪拌均勻制得，阿拉伯樹膠與去 離子水的用量為每100附/去離子水中添加5g阿拉伯樹膠；(C) 將經(jīng)(B)步驟制得的第二混合粉末經(jīng)霧化干燥造粒后制得粒度為200~ 250目的涂層材料；霧化干燥釆用離心霧化方法，第二混合粉末經(jīng)恒流泵注入霧化器并立即被霧化器 的剪切力分散成很多細小液滴(40 70//m)，其中霧化器轉(zhuǎn)速為20000Wmin，霧 化器進口溫度為230。C，霧化器出口溫度為150°C。第三步低壓等離子噴涂制涂層將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設備的夾具上，并將經(jīng)第二步配 制的涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制Al-Si-Cr涂層；
等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力40xl0、a，主氣流量為100￡//j，次氣流量為 30丄/A，電流為600爿，電壓為60F，送粉器的送粉量為22g/min。將上述制得的A1-Si-Cr涂層經(jīng)SEM分析表明，制備的涂層主要由兩層組成 外層為A1-Si-Cr混合層，該混合層由Cr(Si, Al)2、 Al、 Si三相組成；內(nèi)層為涂層與 基體之間的互擴散層，厚度大約為15/^，該層由Nb、 Ti、 Si、 Al、 Cr組成。將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體在大氣氣氛中，經(jīng)過1000。C等溫氧化 100 / 時，基體表面單位面積增重為4 4.6 mg / cw2 。將制得有Al-Si-Cr涂層的基體在大氣氣氛中，經(jīng)過IOO(TC等溫氧化100/;時， 涂層表面單位面積增重為5.6mg/cm2。通過對氧化試樣斷面的SEM分析發(fā)現(xiàn)，氧 化以后涂層主要由三層組成:外層是^203和Si02混合氧化物層;中間層為Al-Si-Cr 混合層；內(nèi)層為互擴散層(與基體結(jié)合層，約有50//附)。氧化后的涂層表面經(jīng)過 XRD、 SEM分析表明涂層表面形成了連續(xù)的致密的Al20s和Si02混合氧化物層， 從而成功地阻止了氧向基體的擴散。通過對制備有涂層的基體與未制備涂層的基體相比，其單位面積增重降低了大約 40mg/cw2 ，證明制備有涂層的基體具有很好的高溫抗氧化作用。
權利要求
1、一種Al-Si-Cr涂層，所述Al-Si-Cr涂層制備在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上，其特征在于所述Al-Si-Cr涂層由Al-Si-Cr混合層和互擴散層組成，互擴散層在Al-Si-Cr混合層與Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體之間，互擴散層厚度為5～15μm。
2、 根據(jù)權利要求1所述的Al-Si-Cr涂層，其特征在于Al-Si-Cr混合層由 Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相組成。
3、 根據(jù)權利要求l所述的Al-Si-Cr涂層，其特征在于互擴散層中含有Nb、 Ti、 Si、 Al和Cr元素。
4、 根據(jù)權利要求l所述的Al-Si-Cr涂層，其特征在于制備有Al-Si-Cr涂層 的基體在高溫1000~1250°C、等溫氧化IOOA以后在Al-Si-Cr混合層上形成含有 八1203和Si02的混合氧化物層，進而阻止了氧向基體的擴散。
5、 根據(jù)權利要求1所述的Al-Si-Cr涂層，其特征在于:互擴散層在高溫1000~ 1250°C、等溫氧化IOOA時厚度增加了 50 100//m。
6、 根據(jù)權利要求1所述的Al-Si-Cr涂層，其特征在于制備有Al-Si-Cr涂層 的基體在1000 1250。C高溫氧化100A時，單位面積增重為5.6~16.8mg/cw2。
7、 一種釆用低壓30~40><103戸等離子噴涂制備Al-Si-Cr涂層的方法，其特 征在于有下列制備步驟第一步基體的前處理將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體釆用150弁、360#、 500弁水磨砂紙磨光， 并采用噴砂機進行表面噴砂處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ=60 80，； 第二步配制涂層材料(A) 稱取30 35wt。/。的Al粉、30 33wt。/。的Cr粉、32 40wt。/。的Si粉， 并且上述各成分的含量之和為100%,混合后經(jīng)研磨30 150min后制得粒度為 250~350目的第一混合粉末；(B) 將經(jīng)(A)步驟制得的第一混合粉末與粘結(jié)劑混合后經(jīng)研磨250 400min 后制得粒度為250 350目的第二混合粉末；第一混合粉末與粘結(jié)劑的用量為lOOOg的第一混合粉末中放入1000 1500m/的粘結(jié)劑； 所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹膠和去離子水在80 10crc中攪拌均勻制得，阿拉伯樹膠與去離子水的用量為每lOOm/去離子水中添加0.5 5g阿拉伯樹膠；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的第二混合粉末經(jīng)霧化干燥造粒后制得粒度為200 250目的涂層材料；霧化干燥采用離心霧化方法，所述第二混合粉末經(jīng)恒流泵注入霧化器并立即被霧 化器的剪切力分散成很多細小液滴，其中霧化器轉(zhuǎn)速為8000 20000Wmin，霧化 器進口溫度為220 230。C，霧化器出口溫度為130~150°C;第三步低壓等離子噴涂制涂層將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設備的夾具上，并將經(jīng)第二步配 制的涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制A1-Si-Cr涂層；等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力30 40xl0 fl，主氣流量為60 100丄//2，次氣 流量為25 30￡//2,電流為560 600J，電壓為50 60F，送粉器的送粉量為 20 22g/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用低壓等離子噴涂制備Al-Si-Cr涂層的方法，通過采用低壓30～40×10³pa等離子噴涂工藝在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上制備了Al-Si-Cr涂層，使得基體與涂層之間形成5～15μm的互擴散層；Al-Si-Cr涂層在高溫1000～1250℃氧化時能夠形成連續(xù)的致密的Al₂O₃和SiO₂混合氧化物層，從而阻止涂層和基體的進一步被氧化，改善了Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體的抗高溫氧化性能，制備有涂層的基體表面單位面積增重為5.6～16.8mg/cm²。所述Al-Si-Cr涂層由Al-Si-Cr混合層和互擴散層組成，其中Al-Si-Cr混合層包含Cr(Si，Al)₂、Al、Si三相；互擴散層含有Nb、Ti、Si、Al和Cr元素。
文檔編號C23C4/02GK101126144SQ20071012222
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月24日 優(yōu)先權日2007年9月24日
發(fā)明者周春根, 姚登樽, 虎 張, 徐惠彬, 銳 蔡 申請人:北京航空航天大學