抗高温材料用表面合金涂层复合材料、涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种抗高温材料用表面合金涂层复合材料、涂层及其制备方法，其特征在于：所述表面合金涂层复合材料由具有面心立方结构的金属合金粉末和搪瓷粉制成，其成分配比为10-70wt%金属合金粉末，搪瓷粉余量；所述金属合金粉末选择NiCrAlX、NiCrX和NiCoCrAlX中至少一种，其中X为铪、锆、稀土元素和混合稀土中至少一种，混合稀土可以为两种或两种以上稀土元素同时使用，或稀土元素与Na、K、Ca、Sr、Ba之一种或多种组合使用。所述表面合金涂层复合材料可以改善高温合金基体的抗高温氧化和热腐蚀性能、断裂韧性和抗热震性能。采用该材料制备的热防护涂层致密，连续，光滑，与高温合金基体能形成至少部分冶金结合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属高温防护领域，特别提供一种抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料及其制备方法。
技术介绍
各种涡轮机，如蒸汽轮机和燃气轮机，其热端组件一般工作在恶劣环境中。这些恶劣环境可以引起冲蚀、高温氧化、热腐蚀及其组合破坏。此外，热疲劳还可引起组件开裂，长时间运行后进一步导致组件断裂。为了追求更高的发电效率和降低碳排放，涡轮机的工作温度需要不断提高。但工作温度的提高，应提高热端组件的耐热性能。因此，高温合金零件应用时需要施加抗氧化和耐热腐蚀的包覆涂层、热扩散涂层或热障涂层。在高温合金热端组件上的热障涂层包括金属粘结层和陶瓷隔热层。美国专利No.6,610,420报道了一种热障涂层的制备方法，他们在高温合金零件表面上先热喷涂一层组分A和组分B组成的抗氧化层，然后热喷涂一种组分C的粘结层，最后热喷涂一层陶瓷隔热层，其中组分A和C为NiCrAlY合金，组分B为NiSiCr合金。美国专利No.5,942,334报道了一种MCrAlY抗氧化合金，可以提升陶瓷层的结合力并防止基体高温合金氧化。许多陶瓷材料被用做陶瓷层，特别是氧化钇或氧化镁或其他氧化物稳定的氧化锆。这些特定材料得到广泛应用的原因是他们可以通过等离子喷涂、火焰喷涂和气相沉积方法涂覆，且可降低热辐射。为了达到隔热的目的，热障涂层必须具有低热导率，与基体结合良好，且能承受冷热循环不剥落。抗冷热循环剥落性能特别要求涂层材料与基体材料的热膨胀系数匹配性。因此，热障涂层制备方法通常是先在高温合金基体上施加一层金属粘结层，然后施加一层隔热层。美国专利NO.6,475,647B2和NO.6,475,647B2等报道了致密的具有抗结焦性能的NiCrAlY涂层的制备方法。在这些方法中，NiCrAlY涂层原料粉末被等离子体转移电弧加热，通过防止粉末氧化的氩气吹送到零件上。在涂层涂覆过程中，通过控制工艺参数，使零件表面形成熔池，最终在零件上形成所需厚度的涂层。基体合金熔化会产生涂层稀释，使涂层的实际成分偏离原料成分，产生了位于基体和涂层之间的一个过渡区，其中包含一些弥散分布的碳化物和氮化物。这些化合物是在乙烯炉中碳和氮高温扩散引起的，显著降低了涂层的剥落倾向。美国专利No.US2009/0098286A1报道了燃气轮机中热端金属零件表面的热障涂层的热喷涂方法。在燃气轮机中镍基高温合金的传统防护涂层分为两种类型：热扩散铝化物涂层和物理气相沉积或热喷涂NiCrAlY涂层。这些涂层具有与高温合金良好的兼容性。但当涂层中的有效组元Al因形成表面氧化膜和与基体间互扩散而损耗后，涂层将失效。与之相反，惰性氧化物涂层不会因涂层有效组元损耗而失效，但比上述铝化物涂层和NiCrAlY涂层更容易因涂层/基体热膨胀系数不匹配而剥落失效。在合适条件下，釉质或搪瓷涂层与许多金属和合金有良好的结合力，这也是这类涂层得到广泛应用的重要原因。通过控制母体玻璃的晶化制备得到的搪瓷-陶瓷材料，既保留了搪瓷涂层的易用性，又结合了陶瓷晶体的一些特殊优点。搪瓷-陶瓷材料可以具有比原始搪瓷更好的力学强度和耐温性，且使其热膨胀系数可能被调节到与基体相匹配。已证明SiO2-Al2O3-ZnO-CaO基搪瓷涂层具有对金属间化合物良好的保护性。氧化铝-搪瓷复合涂层也被发现可用于镍基合金，具有抗1000℃高温氧化和900℃热腐蚀长期性能。但由于搪瓷较高的本征脆性和裂纹敏感性，搪瓷或氧化铝-搪瓷复合材料作为涂层材料存在一个较大的弱点，即在冷热循环条件下抗剥落性可能不足。
技术实现思路
本专利技术提供了一种抗高温材料用表面合金涂层复合材料、涂层及其制备方法，所述表面合金涂层复合材料可以改善高温合金基体的抗高温氧化和热腐蚀性能、断裂韧性和抗热震性能。采用该材料制备的热防护涂层致密，连续，光滑，与高温合金基体能形成至少部分冶金结合。该表面合金涂层复合材料可以应用于各种类型的涡轮机零件，如蒸汽轮机和燃气轮机的工作条件最恶劣的镍基或钴基高温合金制静子叶片和工作叶片。在传统的结构材料领域，金属相增强或四方相氧化锆增强可以显著提高搪瓷结构材料的断裂韧性。本专利技术选择断裂韧性较好且抗高温的面心立方结构相作为搪瓷涂层的断裂韧性增强相，且面心立方相可部分用硬质增强相替代，可以达到进一步提高材料的裂纹萌生应力效果，提高抗热震性能和软化点，即提高高温稳定性。本专利技术的具体方案如下：本专利技术具体提供了一种抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：所述表面合金涂层复合材料由具有面心立方结构的金属合金粉末和搪瓷粉制成，其成分配比为10-70wt%金属合金粉末，搪瓷粉余量；所述金属合金粉末选择NiCrAlX、NiCrX和NiCoCrAlX中至少一种，粒径范围为0.1μm-15μm，其中X为铪、锆、稀土元素和混合稀土中至少一种，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或钪；混合稀土可以为两种或两种以上上述稀土元素同时使用，或上述稀土元素与Na、K、Ca、Sr、Ba之一种或多种组合使用；所述金属合金粉末中Cr含量为10wt%～40wt%，Al含量为0-30wt%，X含量为0.1wt%-5wt%，且Cr、Al和X的总量占金属合金粉末总重量的25wt%～45wt%，Co的含量不高于Ni的含量，Ni余量。本专利技术所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：所述表面合金复合涂层材料中的金属合金粉末可以部分被硬质增强相所替代，所述硬质增强相选择氧化铝、石英、ZrO2、Cr2O3、AlN、Si3N4、BN、SiC中之一或其任意组合，其含量不大于合金涂层复合材料重量的30wt%。本专利技术所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：所述硬质增强相优选氧化铝或氮化铝或二者组合，其含量范围为合金涂层复合材料重量的5wt%-30wt%。本专利技术所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：优选金属合金粉末、搪瓷和氧化铝颗粒，形成三元复合涂层材料，其中氧化铝的含量占所述三元复合涂层材料的5wt%-30wt%。本专利技术还提供了一种由所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料制备的涂层，其特征在于：所述涂层为金属合金粉末或金属合金粉末与硬质增强相均匀分布于搪瓷基体中，在高温合金表面上形成的金属合金-搪瓷涂层、金属合金-搪瓷-硬质增强相涂层或金属合金-搪瓷涂层与金属合金-搪瓷-硬质增强相涂层的组合涂层，其中搪瓷基体的软化点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于： 所述表面合金涂层复合材料由具有面心立方结构的金属合金粉末和搪瓷粉制成，其成分配比为10‑70wt%金属合金粉末，搪瓷粉余量； 所述金属合金粉末选择NiCrAlX、NiCrX和NiCoCrAlX中至少一种，粒径范围为0.1μm—15μm，其中X为铪、锆、稀土元素和混合稀土中至少一种，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或钪；混合稀土可以为两种或两种以上上述稀土元素同时使用，或上述稀土元素与Na、K、Ca、Sr、Ba之一种或多种组合使用； 所述金属合金粉末中Cr含量为10wt%～40wt%，Al含量为0‑30wt%，X含量为0.1wt%‑5wt%，且Cr、Al和X的总量占金属合金粉末总重量的25wt%～45wt%，Co的含量不高于Ni的含量，Ni余量。

【技术特征摘要】
1.一种抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于： 
所述表面合金涂层复合材料由具有面心立方结构的金属合金粉末和搪瓷粉制成，其成分配比为10-70wt%金属合金粉末，搪瓷粉余量； 
所述金属合金粉末选择NiCrAlX、NiCrX和NiCoCrAlX中至少一种，粒径范围为0.1μm—15μm，其中X为铪、锆、稀土元素和混合稀土中至少一种，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥或钪；混合稀土可以为两种或两种以上上述稀土元素同时使用，或上述稀土元素与Na、K、Ca、Sr、Ba之一种或多种组合使用； 
所述金属合金粉末中Cr含量为10wt%～40wt%，Al含量为0-30wt%，X含量为0.1wt%-5wt%，且Cr、Al和X的总量占金属合金粉末总重量的25wt%～45wt%，Co的含量不高于Ni的含量，Ni余量。 
2.按照权利要求1所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：所述表面合金涂层复合材料中的金属合金粉末可以部分被硬质增强相所替代，所述硬质增强相选择氧化铝、石英、ZrO2、Cr2O3、AlN、Si3N4、BN、SiC中之一或其任意组合，其含量不大于合金涂层复合材料重量的30wt%。 
3.按照权利要求2所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：所述硬质增强相选自氧化铝或氮化铝或二者组合，其含量范围为合金涂层复合材料重量的5wt%-30wt%。 
4.按照权利要求2或3所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料，其特征在于：选用金属合金粉末、搪瓷和氧化铝颗粒，形成三元复合 涂层材料，其中氧化铝的含量占所述三元复合涂层材料的5wt%-30wt%。 
5.一种由权利要求1或2所述抗高温材料零件用的表面合金涂层复合材料制备的涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福会，朱圣龙，陈明辉，沈明礼，王成，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21