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一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法

阅读：54发布：2023-02-25

专利汇可以提供一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种Si改性的β‑(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法，属于高温防护涂层技术领域。通过采用电镀与电弧离子镀工艺相结合，在镍基高温合金基体上制备出Si改性的β‑(Ni,Pt)Al涂层。本发明的工艺流程是：先对高温合金基体进行预处理；通过电镀工艺制备一层微米级的纯Pt镀层；完成电镀后，在高温下退火，使Pt层与基体发生互扩散；再在表面沉积一层AlSiY涂层；最后对涂层进行相关热处理，使在基体表面生成Si改性的β‑(Ni,Pt)Al涂层。本发明有效解决了采用传统渗铝工艺制备铂铝涂层中含有夹杂物的问题，通过简单的热处理即可获得β‑(Ni,Pt)Al涂层。，下面是一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)对基体依次进行前处理、电化学除油处理及活化处理后预镀Ni层，所述预镀Ni层过程为：将活化后的基体放入预镀镍镀液中进行电镀，基体作为阴极，纯镍板为阳极，电流密度为4A/dm2，电镀时间1min；所述镀液组成为：氯化镍200～250g/L，盐酸180～250ml/L，其余为去离子水；
(2)电镀Pt层：将预镀Ni层的基体放入镀Pt液中电镀，工艺参数为：电镀温度70℃，电流密度2A/dm2，电镀时间10～30min；基体为阴极，铂钛网为阳极；电镀液配方为：二亚硝基二氨合铂6g/L，氨基磺酸20～65g/L，其余为去离子水；电镀液pH为1.5；Pt层厚度1～4μm；
(3)将步骤(2)电镀Pt层后的基体进行进行除氢及预扩散处理，具体过程为：先在260℃保温1h进行除氢处理，再在1050～1100℃下退火1～2h，使基体中元素与Pt发生互扩散；
(4)采用电弧离子镀工艺，在退火处理后试样上沉积AlSiY涂层，沉积时间为3～5h，AlSiY涂层厚度在10～20μm，所用AlSiY靶材的成分为：Al为94.1wt.％、Y为1.2wt.％、Si为
4.7wt.％；沉积工艺参数为：弧电压19-21V，弧电流53-65A，直流脉冲负偏压220-230V，占空比0.3，氩气分压(3.0～3.3)×10-1Pa；
(5)将经步骤(4)沉积AlSiY涂层的试样进行退火处理，退火温度为1000～1100℃，保温
2～5h，即获得所述Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层。
2.根据权利要求1所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：所述基体为镍基高温合金。
3.根据权利要求1所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述前处理是指对基体进行打磨、喷砂或超声处理。
4.根据权利要求1所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述电化学除油具体操作为：将经前处理的基体放入5wt.％NaOH溶液中电镀除油，基体为阴极，纯镍板为阳极，电流密度为8A/dm2，电镀时间30s；电化学除油后用去离子水清洗，然后进行活化处理；所述活化处理是将基体放入王水中活化10s，以获得新鲜并具有一定粗糙度的基体表面。
5.根据权利要求1所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：将步骤(3)经退火处理后的试样进行超声清洗，以去除表面的杂质，然后进行步骤(4)。
6.根据权利要求1所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)和步骤(5)退火过程中，采用在真空条件及氩气保护气氛下进行退火，为防止涂层剥落，加热速率为4～6℃/min，随炉冷却。
7.根据权利要求1所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)及步骤(5)中的电镀，均采用双阳极，阴极位于两个阳极面的中心，阳极面积/阴极面积＝2:1。
8.根据权利要求4所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，其特征在于：所述活化处理时采用的王水，需现配现用，有效时间小于4h。
9.一种利用权利要求1所述方法制备的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层，其特征在于：该涂层中，Pt含量为3～6at.％，Al含量为30～45at.％，Si含量为0.5～2at.％。
10.根据权利要求9所述的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层，其特征在于：该涂层的主要相成分为β-(Ni,Pt)Al，还含有γ`-Ni3Al相和/或PtAl2相。

说明书全文

一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高温合金基体上高温防护涂层的制备技术领域，具体地说是一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着航空航天技术的发展，人们对其发动机的要求也越来越高。为提高发动机的使用效率，需提高进口端温度，这要求发动机材料具有优异的高温性能，如抗氧化及抗高温腐蚀能力。但普通高温合金并不能满足这些性能，因此需在其表面涂覆高温防护涂层，利用涂层的抗氧化及抗热腐蚀能力，保护基体在高温下不发生氧化。常用的高温防护涂层可分为MCrAlY涂层及铝化物扩散涂层。

[0003] MCrAlY涂层由于具有良好的抗热腐蚀性能及高温塑性而受到人们广泛使用，其涂层内Al含量一般在8～14wt.％。但当使用温度高于1100℃及以上时，将在涂层表面生成较厚的氧化铝薄膜，导致涂层内起保护作用的Al元素被大量消耗，从而使涂层发生退化及失效。

[0004] 铝化物涂层一般通过包埋渗铝或化学气相渗铝方法，在基体表面生成一层铝化物涂层，一般为β-NiAl相。由于其Al元素含量较高，约30wt.％，因此具有良好的抗高温氧化能力。但普通铝化物涂层脆性较大，抗热腐蚀和抗疲劳蠕变性能较差，在腐蚀性环境中涂层退化较快。因此人们在传统铝化物涂层的基础上设计出改性铝化物涂层，如铂改性铝化物涂层，其具有更好的抗氧化性能和热腐蚀性能。传统铂铝涂层，首先在高温合金表面通过电镀或磁控溅射等方法获得一层铂层，经过一定温度退火后，随后采用包埋渗铝或化学气相渗铝的方式获得铂铝涂层。

[0005] 但是，由于包埋渗铝方法是将高温合金与粉末直接接触，导致渗铝过程中引入夹杂，降低涂层的使用寿命。因此如何避免粉末杂质污染涂层是铂铝涂层研究的热点之一。此外，包埋渗铝方法制备的铂铝涂层，其表面一般会生成大量的PtAl2相，该相在高温使用温度范围内发生相变，导致涂层表面褶皱起伏，降低其循环寿命。化学气相渗铝技术是最近一二十年发展的一种渗铝技术，避免粉末与合金接触，可制备出性能优异的铂铝涂层，但该制备方法对渗铝设备要求较高，且采用气相渗铝制备的样品成分可控性较低。因此，研究新型铂铝涂层制备工艺是目前的研究热点。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层及其制备方法，利用电镀及电弧离子镀技术，制备出Si改性β-(Ni,Pt)Al涂层，有效解决了采用传统渗铝工艺制备铂铝涂层中含有夹杂物的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

[0008] 一种Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层的制备方法，该方法包括如下步骤：

[0009] (1)对基体(镍基高温合金)依次进行前处理、电化学除油处理及活化处理，为提高镀Pt层与基体的结合力，在电镀Pt前对基体预镀Ni层，所述预镀Ni层过程为：将活化后的基体放入预镀镍镀液中进行电镀，基体作为阴极，阳极为镍板，电流密度为4A/dm2，电镀时间1min；所述镀液组成为：氯化镍200～250g/L，盐酸180～250ml/L，其余为去离子水；

[0010] (2)电镀Pt层：将预镀Ni层的基体放入镀Pt液中电镀，工艺参数为：电镀温度70℃，电流密度2A/dm2，电镀时间10～30min；基体为阴极，铂钛网为阳极；电镀液配方为：二亚硝基二氨合铂(以铂当量计算)6g/L，氨基磺酸20～65g/L，其余为去离子水；电镀液pH为1.5；Pt层厚度1～4μm；

[0011] (3)将步骤(2)电镀Pt层后的基体进行进行除氢及预扩散处理，具体过程为：先在260℃保温1h进行除氢处理，再在1050～1100℃下退火1～2h，使基体中元素与Pt发生互扩散；经退火处理后的试样进行超声清洗，以去除表面的杂质，然后进行步骤(4)。

[0012] (4)采用电弧离子镀(AIP)工艺，在退火处理后试样上沉积AlSiY涂层，沉积时间为3～5h，AlSiY涂层厚度在10～20μm，所用AlSiY靶材的成分为：Al为94.1wt.％、Y为
1.2wt.％、Si为4.7wt.％；沉积工艺参数为：弧电压19-21V，弧电流53-65A，直流脉冲负偏压
220-230V，占空比0.3，氩气分压(3.0～3.3)×10-1Pa；

[0013] (5)将经步骤(4)沉积AlSiY涂层的试样进行退火处理，退火温度为1000～1100℃，保温2～5h，即获得所述Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层。

[0014] 步骤(1)中，所述前处理是指对基体进行打磨、喷砂(用200目玻璃丸进行湿喷砂处理)或超声处理。

[0015] 步骤(1)中，所述电化学除油具体操作为：将经前处理的基体放入5wt.％NaOH溶液中电镀除油，基体为阴极，纯镍板为阳极，电流密度为8A/dm2，电镀时间30s；电化学除油后用去离子水清洗，然后进行活化处理；所述活化处理是将基体放入王水(37wt.％浓盐酸与65wt.％浓硝酸按照3:1体积配比混合)中活化10s，以获得新鲜并具有一定粗糙度的基体表面。活化处理时采用的王水，需现配现用，有效时间小于4h。

[0016] 步骤(3)和步骤(5)退火过程中，采用在真空条件及氩气保护气氛下进行退火，为防止涂层剥落，加热速率为4～6℃/min，随炉冷却。

[0017] 所述步骤(4)及步骤(5)中的电镀，均采用双阳极，阴极位于两个阳极面的中心，阳极面积/阴极面积＝2:1。

[0018] 上述方法制备的Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层中，Pt含量为3～6at.％，Al含量为30～45at.％，Si含量为0.5～2at.％。该涂层的主要相成分为β-(Ni,Pt)Al，还含有γ`-Ni3Al相和/或PtAl2相。

[0019] 本发明具有如下优点：

[0020] 1、本发明首先在高温合金上电镀一层Pt层，然后进行高温退火，使Pt与基体元素发生互扩散，再采用电弧离子镀(AIP)方法沉积AlSiY涂层，经一定热处理可获得Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层。它利用电镀与电弧离子镀技术沉积涂层，然后结合相应的扩散退火工艺，制备出Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层。

[0021] 2、本发明所用基体为镍基高温合金，一般为单晶，具有较好的高温力学性能，且作为基体时其外形简单，无深孔或弯折等复杂结构。

[0022] 3、本发明通过调节镀Pt层厚度、AlSiY层厚度、成分及退火工艺参数，可达到精确控制涂层化学成分、厚度的目的，同时弥补了包埋渗铝方法中引入夹杂的不足。附图说明

[0023] 图1为电镀Pt层退火后的截面形貌。

[0024] 图2为退火后Si改性β-(Ni,Pt)Al涂层的截面形貌。

[0025] 图3为退火后涂层XRD图谱分析。

[0026] 图4为退火后涂层的截面主要元素分布情况。

具体实施方式

[0027] 下面结合实施例详述本发明，涂层的组织和成分表征手段，包括扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)。

[0028] 实施例1

[0029] 本实施例是在镍基高温合金基体上制备Si改性的β-(Ni,Pt)Al涂层，所用镍基高温合金(DD5)成分为(wt.％):Co 7.5％，Cr 7.0％，Al 6.2％，Re 3.0％，Mo 1.5％，W 5.0％，Ta 6.5％，Hf 0.15％，C 0.05％，B 0.004％，Y 0.01％，余量为Ni。制备过程如下：

[0030] 首先，对高温合金基体进行前处理，前处理包括对基体进行打磨、喷砂、超声处理等；

[0031] 在电镀Pt层前，对基体进行电化学除油、活化、预镀Ni处理，以去除基体表面的油污、氧化皮，提高基体及镀Pt层之间的结合力。电化学除油具体工艺参数为：室温下将基体放入5wt.％NaOH水溶液中作为阴极，在8A/dm2电流密度下除油30s后取出，阳极为纯Ni板。活化工艺参数为：37wt.％浓盐酸和65wt.％浓硝酸按照体积比(3～4):1混合，将基体放入其中活化10s后取出。预镀Ni具体工艺参数为：氯化镍200g/L，盐酸200ml/L，其余为去离子水，混合均匀后，将基体放入镀液中作为阴极，在4A/dm2电流密度下预镀Ni一分钟，阳极为纯镍板；

[0032] 用去离子水清洗后，将高温合金基体作为阴极悬挂在镀液中，具体工艺参数如下：电镀温度70℃，电流密度2A/dm2，pH＝1.5，铂钛网为阳极。电镀液配方为：二亚硝基二氨合铂(以铂当量计算)6g/L，氨基磺酸20～65g/L，其余为去离子水。电镀20min，厚度为2μm；

[0033] 电镀完成后，将试样封入真空硅管中退火处理，真空度为10-2Pa，充入0.2Pa氩气保护涂层，温度为1080℃，保温时间90min，加热速率为5℃/min，随炉冷却。退火之前，先在260℃下保温1h除氢；

[0034] 退火完成后，将试样进行超声清洗处理(丙酮→去离子水)，冷风吹干后，挂入电弧离子镀炉内，沉积AlSiY涂层，沉积3h，厚度为10～15μm，所用AlSiY靶材成分见表1，沉积参数见表2；

[0035] 由于电弧离子镀自身的特点，沉积层颗粒尺寸范围较大，由少量大颗粒及均匀分布的小颗粒组成(尺寸在几百纳米)；

[0036] 表1 AlSiY靶材的成分(wt.％)

[0037]

[0038] 表2 电弧离子镀(AIP)沉积AlSiY涂层的工艺参数

[0039]

[0040] 将沉积态涂层封于真空硅管中，真空度为10-2Pa，充入0.2Pa氩气保护涂层，温度为1050℃，保温时间4h，加热速率为5℃/min，随炉冷却。

[0041] 退火态Pt层截面形貌如图1所示。退火后，Pt与基体元素发生互扩散，通过EDS能谱分析，表层Pt含量为50wt.％左右，Ni含量为35wt.％，同时含有少量Co、Cr等元素。

[0042] 本实例中，沉积AlSiY后对试样进行退火，涂层经退火后，成分发生再分布，表面有一层多孔的镍铝金属间化合物，对其进行喷砂处理以去除多孔层。最后在涂层之上获得Ni保护层。退火后截面形貌如图2所示，最外层为电镀Ni层，涂层外层主要为β-(Ni,Pt)Al相，同时含有少量PtAl2相、γ′-Ni3Al相，涂层厚度约20μm，内层为互扩散区，厚度约15μm。

[0043] 本实例中，用XRD检测涂层中的相组成。根据图3的XRD图谱分析，涂层主要由β-(Ni,Pt)Al组成，同时含有少量PtAl2相。

[0044] 本实例中，为进一步表征涂层中各主要元素分布，对涂层进行EDS打点分析，获得涂层界面主要元素的分布，沿如图4所示：

[0045] (1)涂层由外向内，Al、Pt、Si元素含量逐渐降低；

[0046] (2)在涂层外层，Al含量在30～38at.％之间，Pt含量在4.0～6.0at.％，Si含量约1～2at.％。

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