專利名稱：一種高溫合金表面納米復合涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基陶瓷復合材料領(lǐng)域，特別涉及一種高溫合金表面納米MoSi2-CoNiCrAlY復合涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
高溫合金是指以鐵、鈷、鎳為基，且能在600°C以上的高溫以及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料，它主要應用于航天、航空、石油、化工、艦船等重要領(lǐng)域。然而，由于受到自身性質(zhì)的限制，高溫合金的工作溫度已經(jīng)難以滿足當今科技進步的飛速發(fā)展，如當溫度超過100(TC時，鎳基合金的抗高溫氧化性能會顯著降低，從而導致其高溫力學性能下 降。因此，在高溫合金表面涂覆防護涂層以提高合金基體耐高溫性能的方法受到了廣泛關(guān)注。MoSi2熔點高(約為2030°C)，比重低(約為6. 24g/cm3)，且在高溫氧化氣氛中能在表面生成一種致密SiO2薄膜，因而被認為是高溫合金表面涂層的極佳候選材料。但是，MoSi2作為一種陶瓷材料，其塑變能力和抗疲勞性能差，韌性低，尤其在低溫環(huán)境下會由于鑰和娃的同時氧化而導致材料直接粉化(俗稱“pesting”現(xiàn)象),這使MoSi2在涂層材料方面的應用受到了限制。此外，MoSi2的熱膨脹系數(shù)為8. 1X10_6/K，高溫合金的熱膨脹系數(shù)為18 22Χ10_6/Κ，兩者較大的差異將直接影響它們之間的結(jié)合，使得涂層與基體在受到冷熱交替作用時因變形量不同而產(chǎn)生應力，當此應力大于兩者之間的結(jié)合力時將導致涂層剝落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對純MoSi2涂層存在韌性低、與基體結(jié)合差以及低溫氧化時易發(fā)生“pesting”現(xiàn)象等問題,提供了一種高溫合金表面納米MoSi2-CoNiCrALY復合涂層的制備方法該制備方法工藝簡單，易于控制，對環(huán)境污染很小，且無需在基體與涂層中間先噴涂過渡層。采用該方法制備的涂層能夠充分發(fā)揮MoSi2優(yōu)異的抗高溫氧化性能，從而達到提高合金基體耐高溫性能的目的。本發(fā)明提供的一種高溫合金表面納米M0Si2-C0NiCrAH復合涂層的制備方法，該方法為等離子噴涂法，具體包括以下操作步驟一種高溫合金表面納米復合涂層的制備方法，具體包括以下步驟(I)先后使用丙酮和去離子水對高溫合金基材進行超聲波清洗，清洗后用濾紙擦拭基材，風干備用；( 2)采用剛玉砂對步驟(I)處理的基材表面進行噴砂粗化處理；(3)采用等離子噴焰對步驟(2)處理的基材進行預熱處理；(4)采用等離子噴涂法對步驟(3)處理的基材進行噴涂，噴涂參數(shù)為噴涂功率2(T30kw，噴涂電壓25 30V，噴涂距離7(Tl30mm，送粉量5 10g/min，噴槍移動速率400 600mm/s,來回走槍20 30遍，主氣Ar流量45 50L/min,輔氣He流量5 10L/min,噴涂所使用的粉末為經(jīng)高能球磨后再過篩所獲得的納米M0Si2-C0NiCrAn復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料；(5)將噴涂后的樣品自然冷卻。步驟(4)所述的納米MoSi2-CoNiCrA^LY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料是將納米級硬質(zhì)相MoSi2均勻彌散分布在軟質(zhì)相CoNiCrAH基體上，其粒度為15 48 μ m。優(yōu)選地,所述納米MoSi2-CoNiCrA^LY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料的制備步驟如下(a)將微米級MoSi2和CoNiCrAH粉末按I: I的質(zhì)量比預混l(T20h ；(b)將步驟(a)所得的混合粉末與球磨介質(zhì)放入球磨罐中，球料比為(1(Γ20):1，并添加分散劑，然后將罐體抽真空后充入保護氣體，再進行高能球磨，球磨機轉(zhuǎn)速為20(T400r/min，球磨時間為5 40h，球磨結(jié)束獲得復合粉末；(c)將步驟(b)得到的復合粉末在真空環(huán)境下進行過篩，最終獲得納米 MoSi2-CoNiCrAlY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料。優(yōu)選地，所述的球磨機為行星式球磨機，球磨機轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨時間為30h ;所述的球磨過程為每球磨30min后停機6min,再反向球磨30min,依次循環(huán)；所述的球磨介質(zhì)為高Cr不銹鋼磨球，所述的保護氣體為高純氬氣。優(yōu)選地，所述MoSi2為t_MoSi2相結(jié)構(gòu)，所述CoNiCrAH為Y-(Co, Ni)相以及Y-(Co，Ni)Al 相結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，步驟(b)所述分散劑為硬脂酸或無水乙醇，所述分散劑的添加量占混合粉末質(zhì)量的2% 5%。優(yōu)選地，步驟(C)所述的過篩為先經(jīng)300目篩子過篩，再經(jīng)800目篩子過篩。優(yōu)選地，步驟(I)所述高溫合金為鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金中的一種，所述超聲波清洗的時間都均l(T20min。優(yōu)選地，步驟(2)所述剛玉砂的粒度為50(Γ700 μ m，所述噴砂的壓力為O. 20 0· 25MPa,噴砂角為70 80°，噴砂時間為15 25s。優(yōu)選地，步驟(3)所述的預熱是將基材預熱至10(T2(KrC。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點及有益效果(I)本發(fā)明提供的高溫合金表面納米M0Si2-C0NiCrAH復合涂層的制備方法工藝簡單，易于控制，對環(huán)境污染很小，且可在基體表面直接進行噴涂而無需在基體與涂層中間先噴涂過渡層。(2)CoNiCrAlY合金具有優(yōu)異的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，其熱膨脹系數(shù)介于陶瓷與高溫合金之間(約為(13 14) X 10_6/K)，用它與MoSi2進行復合制備獲得的涂層顯微組織致密，孔隙少，且具有較好的機械性能。(3)本發(fā)明能在充分發(fā)揮MoSi2優(yōu)異的抗高溫氧化性能的同時，較好地解決純MoSi2涂層存在的韌性低、與基體結(jié)合差以及存在低溫“pesting”現(xiàn)象等問題，最終達到提高合金基體耐高溫性能的目的。(4)CoNiCrAlY中的合金元素在噴涂過程中能向基體進行擴散，使得涂層與基體之間產(chǎn)生一定的冶金結(jié)合，從而大幅度提高涂層與基體之間的結(jié)合力。


圖I為復合顆粒喂料的截面形貌圖2為復合顆粒喂料的表面形貌圖；圖3為復合顆粒喂料的DSC圖；圖4為實施例I涂層截面形貌圖；圖5為實施例I涂層表面形貌圖；圖6為圖5的局部放大圖；圖7為實施例I涂層截面Co元素線掃描分布圖。
具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。所述納米MoSi2-CoNiCrA^LY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料的制備,具體步驟如下(I)將微米級MoSi2粉末(購自秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司)和CoNiCrAH粉末(購自普萊克斯表面技術(shù)公司)按1:1的質(zhì)量比放入混料機中預混12h，混料機的轉(zhuǎn)速為 30r/min ；(2)將步驟(I)所得的混合粉末與高Cr不銹鋼磨球依次放入球磨罐中，球料比為15:1，并添加占混合粉末質(zhì)量比為2wt. %的硬脂酸作為分散劑，再將罐體抽真空后充入高純氬氣作為保護氣體，然后使用行星式球磨機進行高能球磨30h，球磨機轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨過程為每球磨30min后停機6min,再反向球磨30min,依次循環(huán)。(3 )待球磨結(jié)束且罐壁冷卻后，將步驟(2 )所得的復合粉末在真空環(huán)境下先經(jīng)300目篩子過篩，再經(jīng)800目篩子過篩，最終獲得M0Si2-C0NiCrAn復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料。對步驟(3)制備的MoSi2-CoNiCrAn復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料進行了相關(guān)測試，結(jié)果表明MoSi2-CoNiCrAH在室溫下球磨30h后，其晶粒尺寸為25nm，顯微組織為納米MoSi2彌散分布在CoNiCrAH基體上，球磨過程中只存在晶粒的細化而沒有發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，制得的粉末近似呈球狀，且流動性良好，熱穩(wěn)定性優(yōu)異，可直接用于熱噴涂。實施例I(I)基材的準備和清洗選用GH4169鎳基合金作為基體材料，將基材線切割成方形片狀后，先后使用丙酮和去離子水對基材進行超聲波清洗15min，然后用濾紙擦拭基材表面，風干備用；(2)噴砂處理采用粒度為50(Γ700 μ m的剛玉砂對步驟(I)處理的基材表面進行噴砂粗化處理，噴砂壓力為O. 20MPa,噴砂角約為70°，噴砂時間為20s ；(3)預熱處理采用等離子噴焰將步驟(2)處理后的基材預熱至150°C ；(4)等離子噴涂以前期成功制備獲得的納米MoSi2_CoNiCrA；LY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料為噴涂粉末，對步驟(3)處理后的基材進行等離子噴涂，噴涂參數(shù)為噴涂功率30kw，噴涂電壓30V,噴涂距離70mm,送粉量7. 5g/min,噴槍移動速率500mm/s,來回走槍25遍,主氣Ar流量45L/min,輔氣He流量5L/min ；(5)將噴涂后的樣品自然冷卻。從圖f 3可以看出，噴涂喂料的結(jié)構(gòu)為深灰色硬質(zhì)相MoSi2較好地彌散復合在淺色CoNiCrAH基體上，粉末近似球狀，且具有一定的熱穩(wěn)定性；圖4的涂層截面形貌圖表明制備獲得的涂層組織致密，孔隙少，且與基材結(jié)合較好；圖5的涂層表面形貌圖表明粉末喂料在噴涂過程中熔融效果非常充分，但在某些區(qū)域依舊存在少量的未熔顆粒，如圖6箭頭所示，這些未熔顆粒的存在對提高涂層的韌性具有較大幫助；由于基體材料不含Co元素，而從圖7可以看出，噴涂后靠近涂層的基材中測得了一定量的Co元素，這說明Co元素在噴涂過程中向基體進行了擴散，使得涂層與基體之間產(chǎn)生了一定的冶金結(jié)合，這種冶金結(jié)合的存在將大幅度提高涂層與基體之間的結(jié)合力。表I為本實施例涂層的物理性質(zhì)及機械性能。涂層的厚度約為300 μ m,孔隙率和顯微硬度分別為4. 65%和854. 4kgf. mm 2，而斷裂韌性達到了 5. 27MPa. m1/2，與純MoSi2涂層的3. 52MPa. m1/2相比提高了近50%。對制備的涂層進行了熱震試驗將試樣加熱至900°C，保溫15min后，取出立即放入25°C水中激冷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層經(jīng)27次冷熱循環(huán)后才發(fā)生小面積的脫落，這與劉勝林(納米NiCr/NiCr-WC粉末與熱噴涂涂層制備及其性能研究[D].北京北京科技大學，2008)采用超音速火焰噴涂法制備的納米NiCr-WC復合涂層的抗熱震循環(huán)次數(shù)為15次(實驗條件為在550°C下保溫15min后立即放入25°C水中激冷)相比，雖然實驗條件更惡劣，但抗熱震循環(huán)次數(shù)卻更多，說明本實施例制備的涂層具有優(yōu)異的抗熱震性能，這主要歸因于金屬基陶瓷復合設(shè)計有效地改善了涂層與基體熱膨脹系數(shù)相差較大的 問題，從而降低了兩者在冷熱交替環(huán)境中因變形量不同而引起的附加應力，增強了涂層與基體之間的結(jié)合。表I
權(quán)利要求
1.一種高溫合金表面納米復合涂層的制備方法，其特征在于具體包括以下步驟 (1)先后使用丙酮和去離子水對高溫合金基材進行超聲波清洗，清洗后用濾紙擦拭基材，風干備用； (2)采用剛玉砂對步驟(I)處理的基材表面進行噴砂粗化處理； (3)采用等離子噴焰對步驟(2)處理的基材進行預熱處理； (4)采用等離子噴涂法對步驟(3)處理的基材進行噴涂，噴涂參數(shù)為噴涂功率2(T30kw，噴涂電壓25 30V，噴涂距離7(Tl30mm，送粉量5 10g/min，噴槍移動速率400 600mm/s,來回走槍20 30遍，主氣Ar流量45 50L/min,輔氣He流量5 10L/min,噴涂所使用的粉末為經(jīng)高能球磨后再過篩所獲得的納米M0Si2-C0NiCrAn復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料； (5)將嗔涂后的樣品自然冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于所述納米MoSi2-CoNiCrALY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料的制備步驟如下 Ca)將微米級MoSi2和CoNiCrAH粉末按I: I的質(zhì)量比預混l(T20h ； (b)將步驟(a)所得的混合粉末與球磨介質(zhì)放入球磨罐中，球料比為(1(Γ20):1，并添加分散劑，然后將罐體抽真空后充入保護氣體，再進行高能球磨，球磨機轉(zhuǎn)速為20(T400r/min，球磨時間為5 40h，球磨結(jié)束獲得復合粉末； (c)將步驟(b)得到的復合粉末在真空環(huán)境下進行過篩，最終獲得納米MoSi2-CoNiCrAlY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的球磨機為行星式球磨機，球磨機轉(zhuǎn)速為300r/min,球磨時間為30h ;所述的球磨過程為每球磨30min后停機6min,再反向球磨30min,依次循環(huán)；所述的球磨介質(zhì)為高Cr不銹鋼磨球,所述的保護氣體為高純IS氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述MoSi2為t-MoSi2相結(jié)構(gòu)，所述CoNiCrAlY 為 Y-(Co, Ni)相以及 Y-(Co，Ni) Al 相結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟(b)所述分散劑為硬脂酸或無水乙醇，所述分散劑的添加量占混合粉末質(zhì)量的29Γ5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于步驟(c)所述的過篩為先經(jīng)300目篩子過篩，再經(jīng)800目篩子過篩。
7.根據(jù)權(quán)利要求I飛任意一項所述的制備方法，其特征在于步驟(I)所述高溫合金為鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金中的一種，所述超聲波清洗的時間都均l(T20min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1飛任意一項所述的制備方法，其特征在于步驟(2)所述剛玉砂的粒度為50(Γ700μπι，所述噴砂的壓力為O. 2(H). 25MPa，噴砂角為7(Γ80°，噴砂時間為15 25s。
9.根據(jù)權(quán)利要求Γ6任意一項所述的制備方法，其特征在于步驟(3)所述的預熱是將基材預熱至i0(T20(rc。
10.根據(jù)權(quán)利要求I、任意一項方法制備的納米復合涂層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫合金表面納米復合涂層及其制備方法，具體包括以下步驟(1)先后使用丙酮和去離子水對合金基材進行超聲波清洗，清洗后用濾紙擦拭基材，風干備用；(2)采用剛玉砂對步驟(1)處理的基材進行噴砂處理；(3)采用等離子噴焰對步驟(2)處理的基材進行預熱處理；(4)采用等離子噴涂法對步驟(3)處理的基材進行噴涂，噴涂所使用的粉末為經(jīng)高能球磨后再過篩所獲得的納米MoSi2-CoNiCrAlY復合結(jié)構(gòu)顆粒喂料；(5)將噴涂后的樣品自然冷卻。本方法可在基體表面直接進行噴涂，制備獲得的涂層能有效地解決純MoSi2涂層韌性低、與基體結(jié)合差以及存在低溫“pesting”現(xiàn)象等問題。
文檔編號C23C4/06GK102828137SQ201210319018
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者鐘喜春, 劉名濤, 曾德長, 劉仲武, 邱萬奇, 余紅雅, 李尚周 申請人:華南理工大學