本發(fā)明涉及涂層制備，尤其是涉及一種具有良好阻擴(kuò)散及抗氧化性能的復(fù)合涂層及其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、fe-cr高溫合金具有成分簡單，成本較低，良好的中溫力學(xué)性能和熱加工塑性等眾多優(yōu)點，成為制造石油化工、化學(xué)工業(yè)以及能源工業(yè)領(lǐng)域中熱交換器、預(yù)熱器及裂解爐等裝置的理想材料之一。然而石油化工、化學(xué)工業(yè)以及能源工業(yè)等產(chǎn)業(yè)使用的煤炭等燃料主要由碳?xì)浠衔锝M成，碳?xì)浠衔锏娜紵龝a(chǎn)生co2、co2+h2o以及co+h2o+h2等產(chǎn)物，這些氣體分子在高溫下分解產(chǎn)生活性的氧原子及活性碳原子，繼而對鐵基合金工件造成嚴(yán)重的氧化/碳化腐蝕。研究表明，fe-cr合金在高溫蒸汽等惡劣環(huán)境下不能形成保護(hù)性的氧化鉻層。在高溫空氣環(huán)境下，即使fe-cr合金(cr≥12％)表面會形成連續(xù)的氧化鉻層，但在長期高溫暴露過程中，氧化鉻層下的鐵被腐蝕，會影響氧化鉻的形成和穩(wěn)定性，加速了fe-cr合金的腐蝕。在fe-cr合金表面沉積一層鋁化物保護(hù)涂層被認(rèn)為是防止合金腐蝕最有效措施的之一。鎳鋁金屬間化合物因具有熔點高、密度低、熱穩(wěn)定性好和抗氧化性能強(qiáng)等優(yōu)點，成為高溫耐蝕涂層的理想材料。當(dāng)ni-al涂層暴露在高溫環(huán)境中時，會發(fā)生al的選擇性氧化，形成氧化鋁保護(hù)層。然而，ni-al涂層與fe-cr基體由于元素組成的差異，兩者會發(fā)生嚴(yán)重的互擴(kuò)散行為。這不僅導(dǎo)致ni-al涂層與fe-cr基體之間形成了較厚的互擴(kuò)散區(qū)，而且還在互擴(kuò)散區(qū)和基體中析出了有害的金屬間化合物，極大地降低了ni-al涂層的抗氧化性能。因此，防止ni-al涂層和fe-cr基體之間元素的相互擴(kuò)散是非常重要的，最有效的方法是在ni-al涂層和fe-cr基體之間添加擴(kuò)散障。擴(kuò)散障材料的種類可分為金屬和陶瓷材料。近些年來，高熵合金作為擴(kuò)散障進(jìn)入人們的視野。高熵合金是由5種或5種以上主要元素組成的多組分合金，每種主要元素的原子組成在5％～35％之間，具有高熵效應(yīng)、遲滯擴(kuò)散效應(yīng)、強(qiáng)晶格畸變和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點。因此，使用高熵合金作為擴(kuò)散障具有很大的優(yōu)勢。chang等人的研究表明，50nm厚的alcrtatizr非晶態(tài)高熵合金擴(kuò)散障在600℃時可以抑制cu和si之間的互擴(kuò)散。然而，alcrtatizr高熵合金是否能有效地抑制ni-al涂層與fe-cr合金之間的元素互擴(kuò)散尚未見報道。

2、在高溫條件下，高溫防護(hù)涂層與fe-cr高溫合金基體之間由于元素的巨大差異會發(fā)生嚴(yán)重的互擴(kuò)散，導(dǎo)致涂層中抗氧化元素鋁的消耗，從而降低了涂層對基體的保護(hù)效果。同時，涂層元素擴(kuò)散到基體，會與基體元素共同析出有害脆性金屬間化合物，使基體的性能嚴(yán)重降低。

3、因此，在ni-al涂層與fe-cr合金之間制備alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障，有效地阻止fe-cr合金與ni-al涂層之間的元素互擴(kuò)散行為，延長ni-al涂層的服役壽命是迫切需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種具有良好阻擴(kuò)散及抗氧化性能的復(fù)合涂層及其制備方法及應(yīng)用，在高溫防護(hù)涂層和高溫合金之間沉積一層致密的alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障來抑制高溫防護(hù)涂層與基體間元素的互擴(kuò)散以及有害相的析出，提高了nialy涂層的抗氧化性能，延長nialy涂層的服役壽命。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有良好阻擴(kuò)散及抗氧化性能的復(fù)合涂層及其制備方法及應(yīng)用，包括復(fù)合涂層由高熵合金擴(kuò)散障層和高溫防護(hù)涂層構(gòu)成；

3、所述高熵合金擴(kuò)散障層為alacrbtactidzre；

4、所述高溫防護(hù)涂層組成元素為ni、al和y，nialy涂層由β-nial相構(gòu)成。

5、優(yōu)選的，a+b+c+d+e＝1，a、b、c、d和e的范圍為0.05～0.35

6、優(yōu)選的，所述高熵合金擴(kuò)散障層為非晶相結(jié)構(gòu)，厚度為3.8～4.2μm。

7、優(yōu)選的，所述高溫防護(hù)涂層的厚度為7.4～7.8μm。

8、一種具有良好阻擴(kuò)散及抗氧化性能的復(fù)合涂層的制備方法，包括以下步驟：

9、s1、利用真空非自耗電弧熔煉技術(shù)制備alcrtatizr高熵合金靶材；

10、s2、利用真空非自耗電弧熔煉技術(shù)制備nialy合金靶材；

11、s3、利用磁控濺射技術(shù)在fe-cr高溫合金基體表面沉積alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障；

12、s4、利用磁控濺射技術(shù)在alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障表面沉積nialy高溫防護(hù)涂層。

13、優(yōu)選的，步驟s1中，稱取al、cr、ta、ti和zr五種純金屬原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術(shù)制備得到alcrtatizr高熵合金靶材。

14、優(yōu)選的，步驟s2中，稱取ni、al和y三種純金屬原料，利用真空非自耗電弧熔煉技術(shù)制備得到nialy合金靶材。

15、優(yōu)選的，步驟s3中，在沉積高熵合金擴(kuò)散障之前分別用型號為600、1000、2000#的金相砂紙和w2.5金剛石拋光膏對fe-cr基體進(jìn)行研磨和拋光，拋光后的fe-cr基體分別置于無水乙醇和去離子水中超聲清洗，超聲清洗時間均為15min，將清洗好fe-cr基體在室溫環(huán)境下干燥，之后將干燥的fe-cr高溫合金基體安裝在磁控濺射設(shè)備的樣品臺上，將步驟s1得到的alcrtatizr高熵合金靶材放置在射頻靶上，磁控濺射參數(shù)為：真空度9×10-3～1×10-4pa，fe-cr高溫合金基體的溫度100～200℃，alcrtatizr高熵合金靶材的功率250w，氣壓0.59～0.61pa，得到沉積在fe-cr基體表面的alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障層，涂層厚度控制在3.8～4.2μm。

16、優(yōu)選的，步驟s4中，將步驟s3得到的alcrtatizr高熵合金薄膜樣品安裝在磁控濺射設(shè)備的樣品臺上，將步驟s2得到的nialy合金靶材放置在射頻靶上，磁控濺射參數(shù)為：真空度9×10-3～1×10-4pa，alcrtatizr高熵合金薄膜樣品的溫度100～200℃，nialy合金靶材的功率300w，氣壓0.69～0.71pa，得到alcrtatizr/nialy復(fù)合涂層，nialy涂層厚度控制在7.4～7.8μm。

17、一種表面覆有具有良好阻擴(kuò)散及抗氧化性能的復(fù)合涂層的基體。

18、因此，本發(fā)明采用上述一種具有良好阻擴(kuò)散及抗氧化性能的復(fù)合涂層及其制備方法及應(yīng)用，其技術(shù)效果如下所述：

19、(1)本發(fā)明提供的alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障熱膨脹系數(shù)位于nialy高溫防護(hù)涂層和fe-cr基體之間，有效地緩解了nialy涂層和fe-cr基體之間熱膨脹系數(shù)的不匹配，增強(qiáng)了涂層與基體的附著力，提高了涂層質(zhì)量。

20、(2)本發(fā)明提供的alcrtatizr高熵合金擴(kuò)散障有效地抑制了nialy涂層與fe-cr基體之間的元素互擴(kuò)散，同時也抑制了有害相的析出，延長ni-al涂層的服役壽命。

21、(3)本發(fā)明利用磁控濺射技術(shù)制備復(fù)合涂層，通過調(diào)整濺射氣壓和濺射功率減少了在制備過程中的殘余應(yīng)力，提高了基體與涂層，涂層與涂層之間的結(jié)合力。

22、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。