專利名稱：Al₂O₃/Al-Si-Cr復(fù)合涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層的制備方法，更特別地說(shuō)，是指一種釆用低壓(30 4Oxl0Vfl)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Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層。
背景技術(shù)：
鈮基合金具有較高的熔點(diǎn)(>1700°C)，較低的密度(6.6 7.2g/c附3),良好的 室溫?cái)嗔秧g性(>20M;w.m"2)，良好的高溫強(qiáng)度以及鑄造性能，因而有望成為在 1200 140CrC甚至更高溫度下工作的葉片材料。但是Nbss/NbsSi3雙相合金抗氧化 性能差,高溫氧化時(shí)存在嚴(yán)重的氧化增重現(xiàn)象。形成的氧化物如:TiNb207 ， AlNbu029 和CrNbC^等疏松多孔，而且生長(zhǎng)迅速，無(wú)法阻擋氧向基體的繼續(xù)擴(kuò)散，因而達(dá)不到 高溫抗氧化作用。
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(kuò)散，阻止氧化的進(jìn)一步進(jìn)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(diǎn)的影響， 限制了其高溫應(yīng)用。Cr(Al， Si)2抗氧化性好，熔點(diǎn)高(>1250°C)。因而具有很高的 高溫應(yīng)用價(jià)值。
八1203具有很高的熔點(diǎn)，致密的八1203層不僅能夠阻止氧元素的擴(kuò)散，而且能夠 阻止Nb、 Ti、 Al、 Cr、 Si等較大原子半徑的元素的擴(kuò)散，是很好的阻擴(kuò)散層材料的選擇。
隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，更高性能、更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的涂層體系正在被逐漸開(kāi)發(fā)。發(fā) 展多層復(fù)合涂層是現(xiàn)在涂層發(fā)展的重要方向之一。在高溫抗氧化涂層體系中，抗氧化 涂層會(huì)隨著氧化時(shí)間的增加逐漸失效。導(dǎo)致其失效的原因主要是活性元素的消耗?；?br> 性元素的消耗包括兩個(gè)過(guò)程(l)活性元素與環(huán)境中擴(kuò)散來(lái)的氧結(jié)合形成氧化物；(2) 活性元素在高溫環(huán)境中向基體方向擴(kuò)散。為了提高涂層的使用#，在抗氧化層與基 體之間增加一層阻擴(kuò)散層是十分必要的。發(fā)明 內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層由A1203 涂層和Al-Si-Cr混合層組成，A1203涂層在Al-Si-Cr混合層與 Nb-24Ti-16Si-6A1-6Cr-2Hf基體之間，尼203涂層厚度為50 200戸m， Al-Si-Cr 混合層厚度為50 200/^。 Al-Si-Cr混合層由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相組成，其 在高溫1000 125(TC氧化100/;以內(nèi)在A1-Si-Cr混合層表面形成有Al203和Si02 的混合氧化物層，能夠成功阻止氧向基體的擴(kuò)散。本發(fā)明制得的A1203/A1-Si-Cr復(fù) 合涂層經(jīng)過(guò)SEM分析氧化后(氧化條件1000 125(TC氧化100A時(shí))的涂層斷面 表明，氧化后涂層由三層組成外層為Al-Si-Cr混合涂層的氧化物層；中間層為 Al-Si-Cr混合涂層；內(nèi)層為A1203。八1203層在氧化過(guò)程中，起到了阻擴(kuò)散作用，成 功阻止了基體與涂層之間的互擴(kuò)散作用。
本發(fā)明的另一目的是提出一種采用低壓30~40"03;^等離子噴涂制備 Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層的方法，首先在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上制備 出八1203涂層，然后在八1203涂層上制備出Al-Si-Cr混合涂層；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。C氧化100/2時(shí)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(jìn)一步被氧 化，改善了 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體的抗高溫氧化性能；同時(shí)，在高溫 1000 125(TC氧化100/;時(shí)所述八1203涂層能夠成功阻止Al-Si-Cr混合涂層與基 體之間的互擴(kuò)散，從而提高了涂層的持續(xù)抗氧化壽命。
本發(fā)明A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層通過(guò)采用低壓等離子噴涂工藝制備在 Nb-24Ti-16Si-6A1-6Cr-2Hf基體上，在基體與Al-Si-Cr混合涂層之間制備有A1203 涂層；Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層在高溫1000~ 1250。C氧化時(shí)能夠形成連續(xù)的致密 的^203和Si02混合氧化物層，從而阻止涂層和基體的進(jìn)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4.2~9.8mg/cw2。


圖1是在基體上制得M203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是氧化后的A1203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種抗高溫U000 125(TC)氧化Al20s/A1-Si-Cr復(fù)合涂層，所述 A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層由A1203涂層和Al-Si-Cr混合層組成，A1203涂層在 Ai-Si-Cr混合層與Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體之間。所述八1203涂層厚度為 50 200/^7。所述A1-Si-Cr混合層厚度為50 200/vw，該涂層由Cr(Si, Al)2、 Al、 Si三相組成，在高溫1000 125(TC氧化100/ 時(shí)A1-Si-Cr混合層表面形成有 "203和Si02的混合氧化物層。
本發(fā)明是一種采用低壓30~40x 103戸等離子噴涂制備Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂 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-6A1-6Cr-2Hf基體采用150#、 360#、 500弁水磨砂紙磨光， 并采用噴砂機(jī)進(jìn)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Al-Si-Cr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lOOOg的第一混合粉末中放入1000~ 1500w/的粘結(jié)劑；
所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹(shù)膠和去離子水在80 10(TC中攪拌均勻制得，阿拉伯樹(shù) 膠與去離子水的用量為每100w/去離子水中添加0.5 5g阿拉伯樹(shù)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(xì)小液滴(即涂層材料，其粒徑為40 80戸)，其中霧化器轉(zhuǎn) 速為8000 20000Wmin,霧化器進(jìn)口溫度為220 230°C，霧化器出口溫度為 130 150°O, 第三步配制Al203涂層材料
選取粒度為200 250目的純度99.9%的A1203圓球形粉材； 第四步低壓等離子噴涂制涂層
(A) 將經(jīng)第一步處理'后的基體安裝在低壓等離子噴涂設(shè)備的夾具上，并將經(jīng)第 三步配制的^203涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制^203涂層；
等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力30 40xlOV"，主氣流量為60~100￡// ，次氣 流量為25~3(U//2 ，弧電流為560 600^,弧電壓為50 60r ，送粉器的送粉 量為24~25g/min ，
(B) 將第二步配制Al-Si-Cr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 4Oxl03pa，主氣流量為60~ 100Z/"次氣 流量為25 30丄M，電流為560 600j，電壓為50 60F，送粉器的送粉量為 20 22g/min。
將上述方法制備的Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層經(jīng)XRD、 SEM分析表明，Al-Si-Cr 混合涂層由Cr(Si， Al)2、 Al、 Si三相組成，該涂層在高溫1000 125(TC氧化100A 以內(nèi)在Al-Si-Cr混合層表面形成有^203和Si02的混合氧化物層。 實(shí)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(zhǎng)13ww ，寬8;ww ,高3ww的長(zhǎng) 方形試樣，并采用150#、 360#、 500弁水磨砂紙磨光后，采用噴砂機(jī)進(jìn)行表面噴砂 處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ-60 80戶；
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300inin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1000m/的粘結(jié)
劑；
所述粘結(jié)劑由阿拉伯樹(shù)膠和去離子7jC在100。C中攪拌均勻制得，阿拉伯樹(shù)膠與去 離子水的用量為每100w/去離子水中添加lg阿拉伯樹(shù)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(xì)小液滴(粒徑為60 80//m)，其中霧化器轉(zhuǎn)速為 15000Wmin，霧化器進(jìn)口溫度225°C，霧化器出口溫度為140°C。
第三步配制^203涂層材料
選取粒度為200~250目的純度99.9%的A1203圓球形粉材； 第四步低壓等離子噴涂制涂層
(A) 將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設(shè)備的夾具上，并將經(jīng)第 三步配制的^203涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制^203涂層；
等離子噴涂參數(shù):罐內(nèi)壓力30"03戸，主氣流量為60ZM ,次氣流量為25丄M ， 電流為58CM ，電壓為557 ,送粉器的送粉量為24g/min ;
(B) 將第二步配制Al-Si-Cr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30xlOS戸，主氣流量為，次氣流量為25ZM ， 電流為580X，電壓為55F，送粉器的送粉量為21g/min。
將上述制得的Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層經(jīng)SEM分析表明，制備的 A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層主要由兩層組成外層為Al-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^203涂層，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(guò)125CTC等溫氧化 IOOA時(shí)，基體表面單位面積增重為213mg/cm2。
將制得有Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層的基體在大氣氣氛中，經(jīng)過(guò)125(TC等溫氧 化100A時(shí)，涂層表面單位面積增重為9.8mg/cm2。通過(guò)對(duì)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A1203 和&02混合氧化物層；中間層為Al-Si-Cr混合層；內(nèi)層為Al203涂層(約有100 ;/m)。 氧化后的涂層表面經(jīng)過(guò)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(kuò)散。
通過(guò)對(duì)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(shí)施例2 :
第一步基體的前處理
將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體切割成長(zhǎng)13m/n ，寬8 ww ，高3ww的長(zhǎng) 方形試樣，并采用150#、 360#、 500#水磨砂紙磨光后，采用噴砂機(jī)進(jìn)行表面噴砂 處理后待用，噴砂后基體表面粗糙度RZ-60 80/zw;
第二步配制涂層材料
(A) 稱取30wt。/。的Al粉、30wt。/。的Cr粉、40wt。/。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(shù)膠和去離子水在8crc中攪拌均勻制得，阿拉伯樹(shù)膠與去
離子水的用量為每lOOm/去離子水中添加5g阿拉伯樹(shù)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，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(xì)小液滴(粒徑為40~70，)，其中霧化器轉(zhuǎn)速為 20000Wmin,霧化器進(jìn)口溫度為230°C，霧化器出口溫度為150°C。
第三步配制^203涂層材料
選取粒度為200 250目的純度99.9%的A1203圓球形粉材；
第四步低壓等離子噴涂制涂層 (A)將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設(shè)備的夾具上，并將經(jīng)第 三步配制的A1203的涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制A1203涂層；
等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力4Oxl0》fl，主氣流量為100￡",次氣流量為 30ZM，電流為600爿，電壓為6。r，送粉器的送粉量為25g/min;
(B)將第二步配制Al-Si-Cr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混合涂層；
等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力40x103/^，主氣流量為次氣流量為 30iM，電流為600爿，電壓為6。y,送粉器的送粉量為22g/min。
將上述制得的A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層經(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Al20s涂層。
將Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體在大氣氣氛中，經(jīng)過(guò)1000。C等溫氧化 100 / 時(shí)，基體表面單位面積增重為4 4.6 wg / cw2 。
將制得有A1-Si-Cr涂層的基體在大氣氣氛中，經(jīng)過(guò)IOO(TC等溫氧化100/2時(shí)， 涂層表面單位面積增重為4.2rng/c附2。通過(guò)對(duì)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^203層(約有200戸)。氧化后的涂層表面經(jīng)過(guò)XRD、 SEM分 析表明涂層表面形成了連續(xù)、致密的Al203和Si02混合氧化物層，從而成功地阻止 了氧向基體的擴(kuò)散。
通過(guò)對(duì)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/cm2 ，證明制備有涂層的基體具有很好的高溫抗氧化作用。
權(quán)利要求
1、 一種Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層，所述Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層制備在 Nb-24Ti-16Si-6A1-6Cr-2Hf基體上，其特征在于所述A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層 由A1203涂層和Al-Si-Cr混合層組成，A1203涂層在Al-Si-Cr混合層與 Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體之間，八1203涂層厚度為50 200//w, Al-Si-Cr 混合層厚度為50~200〃m。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的A1203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層，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(quán)利要求1所述的Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層，其特征在于Al-Si-Cr 混合涂層在高溫1000 125(TC氧化IOOZ 以內(nèi)在Al-Si-Cr混合層表面形成有 ^203和Si02的混合氧化物層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Al203/Al-Si-Cr復(fù)合涂層，其特征在于制備有 A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層的基體在1000 1250。C高溫氧化100/ 時(shí)，單位面積增 重為4.2 9.8wg/cm2。
5、 一種采用低壓30 40><103戸等離子噴涂制備A1203/A1-Si-Cr復(fù)合涂層的方法，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基體采用150#、 360#、 500#水磨砂紙磨光， 并采用噴砂機(jī)進(jìn)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Al-Si-Cr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(shù)膠和去離子水在80 10CTC中攪拌均勻制得，阿拉伯樹(shù) 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(shù)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，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(xì)小液滴，其中霧化器轉(zhuǎn)速為8000 20000Wmin，霧化器進(jìn) 口溫度為220 230。C，霧化器出口溫度為130 150°C;第三步配制^203涂層材料選取粒度為200 250目的A1203粉；第四步低壓等離子噴涂制涂層(A) 將經(jīng)第一步處理后的基體安裝在低壓等離子噴涂設(shè)備的夾具上，并將經(jīng)第 三步配制的M203涂層材料放入送料器中，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)制A1203涂層；等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力30~40><103戸，主氣流量為60 100￡// ,次氣 流量為25~30￡//z,電流為560 600Z，電壓為50 60F，送粉器的送粉量為 24 25g/min 5(B) 將第二步配制A1-Si-Cr混合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混合涂層；等離子噴涂參數(shù)罐內(nèi)壓力30~40><103戸，主氣流量為60 100丄//2，次氣 流量為25 30￡// ，電流為560 600J，電壓為50 60K，送粉器的送粉量為 20 22g/min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種Al₂O₃/Al-Si-Cr復(fù)合涂層，以及采用低壓30～40×10³pa等離子噴涂工藝在Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體上制備Al₂O₃/Al-Si-Cr復(fù)合涂層的方法。所述Al₂O₃/Al-Si-Cr復(fù)合涂層由Al₂O₃涂層和Al-Si-Cr混合層組成，Al₂O₃涂層在Al-Si-Cr混合層與Nb-24Ti-16Si-6Al-6Cr-2Hf基體之間，Al₂O₃涂層厚度為50～200μm，Al-Si-Cr混合層厚度為50～200μm；所述Al₂O₃/Al-Si-Cr復(fù)合涂層中Al-Si-Cr混合層包含Cr(Si，Al)₂、Al、Si三相，在高溫1000～1250℃氧化100h以后能夠形成連續(xù)、致密的Al₂O₃和SiO₂混合氧化物層；所述Al₂O₃涂層能夠有效地阻止Al-Si-Cr混合涂層與基體之間的互擴(kuò)散，從而提高了涂層的持續(xù)抗氧化壽命。
文檔編號(hào)C23C4/00GK101121308SQ20071012222
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年9月24日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)