一种活性元素改性铝化物涂层及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种活性元素改性铝化物涂层及其制备工艺，属于高温防护涂层技术领域。该涂层包括β-NiAl相和活性元素Y、P，按重量百分含量计，Y为0.1～0.6％，P为0.1～5％。其制备过程是：首先将活性元素或者活性元素的氧化物与镍共沉积到基体上形成复合镀层基底；然后在沉积的复合镀层基底上渗铝形成含有P和Y活性元素的改性铝化物涂层。本发明专利技术涂层具有优异的抗循环氧化能力和抗恒温氧化能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高温防护涂层
，具体涉及一种活性元素改性铝化物涂层及其制备工艺。
技术介绍
高温防护涂层主要使用在燃气轮机叶片等部位，由于燃气轮机叶片需要使用在高温极端条件下，因此需要防护涂层具备优良的抗高温氧化和热腐蚀能力。而铝化物扩散涂层抗高温氧化性能良好，但是抗热腐蚀性能较铬化物涂层差。一般来说提高铝化物扩散涂层的抗高温氧化和抗热腐蚀能力主要从两个方面入手，一是提高氧化膜与基体之间的结合力，二是降低涂层中铝元素的内扩散。本专利技术旨在通过添加活性元素及其氧化物等具体手段对铝化物扩散涂层进行改性，以提高氧化膜与基体之间的结合力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种活性元素改性铝化物涂层及其制备工艺，通过P、Y活性元素对铝化物涂层进行改性，所得涂层在高温极端条件下(≥1000℃)，在保持优异强度性能的同时具备优良的抗高温氧化和热腐蚀能力。本专利技术技术方案如下：一种活性元素改性铝化物涂层，该涂层包括β-NiAl相和活性元素，所述活性元素为Y和P；按重量百分含量计，涂层中Y为0.1～0.6％，P为0.1～5％，β-NiAl相中Al含量为40～70％。所述改性铝化物涂层中，P元素在铝化物涂层内以NixP100-x的形式存在，X取值范围为85～90(原子百分比)。所述改性铝化物涂层厚度为30-50μm。所述改性铝化物涂层的制备工艺具体包括如下步骤：(1)将活性元素(P和Y)与镍元素通过复合化学镀共沉积到基体上形成复合镀层基底；复合镀层基底中P元素含量为10～17wt.％，Y元素含量为10～20wt％，复合镀层基底厚度为1～5μm。所得复合镀层基底中，P元素以NixP100-x的形式存在，X取值范围为85～90(原子百分比)；Y元素以Y2O3的形式存在。(2)在所述复合镀层基底上通过包埋渗铝或低压气相沉积法渗Al元素，获得含有P和Y活性元素的改性铝化物涂层。步骤(1)中，复合化学镀采用镍磷镀液，其组成为：NaH2PO230～40g/L，Y2O31～5g/L，NiSO4.6H2O30～40g/L，C6H5Na3O7.2H2O10-20g/L，NH4Cl30～40g/L，其余为水。所述镍磷镀液pH值为8至10，Y2O3颗粒度为50～150μm。步骤(1)中，所述复合化学镀的时间为30～100分钟，温度为35～50℃。步骤(1)中，所述Y2O3加入镍磷镀液前经活化剂活化处理，活化剂为十六烷基三甲基溴化铵的水溶液，活化剂中十六烷基三甲基溴化铵含量为1-5g/L；活化处理时间10～30分钟，活化处理温度为60～90℃。步骤(2)中，所述包埋渗铝或低压气相沉积渗铝中采用的粉末为铁铝粉和氯化铵混合物，铁铝合金分与氯化铵的重量比为(50～25)：1，铁铝合金粉中铁元素含量为40～50wt.％，渗铝温度900～1100℃，渗铝时间3～5小时，活性元素在渗铝过程中渗入到涂层当中。本专利技术采用P、Y活性元素改性铝化物涂层与传统铝化物涂层相比具有以下优点：1、本专利技术为用于高温合金防护的活性元素改性铝化物涂层及其制备方法，可以用作TBC的粘结层或单独使用。改性铝化物扩散涂层主要为β-NiAl，其中Y、P等活性元素存在于铝化物涂层中，活性元素改善了涂层的抗循环氧化能力和抗恒温氧化能力。2、高温涂层形成氧化膜的情况下，Y可以在涂层与氧化膜之间起到钉扎的作用，抑制氧化膜脱落。3、Y可以抑制氧化膜与涂层之间孔洞的产生，P可以抑制晶界氧和硫的扩散，防止涂层发生内氧化和内硫化。4、由于涂层当中存在Y和P，在恒温氧化时具有异常低的氧化膜生长速率。5、优异的抗循环氧化性能。附图说明图1是沉积Y2O3和P复合镀层的基底表面图片。图2是沉积有2μm厚Y2O3和P复合镀层在包埋渗铝之后的截面图片。图3是钇磷改性铝化物涂层表面XPS分析结果。图4是经过20个1小时1100℃循环氧化之后样品表面出现富钇颗粒；其中：(a)为样品表面氧化膜形貌；(b)为图(a)中箭头所指部位能谱。图5是钇磷改性铝化物涂层与普通铝化物涂层循环氧化测试结果。图6是200小时循环氧化之后钇磷改性铝化物涂层与普通铝化物涂层表面形貌对比。具体实施方式以下结合附图及实施例详述本专利技术。实施例1基材采用定向凝固镍基高温合金DD5，其成分如下(质量百分比)：Co：7.5％，Cr：7％，W：5％，Mo：1.5％，Al：6.2％，Ta：6.5％，Re：3％，Ni：余量。将直径为13毫米的高温合金棒用线切割加工成厚2毫米的圆片，在圆片的上方正中间位置切Φ3mm的圆孔，以方便电镀和气相沉积的过程当中悬挂。所有的试样在镀膜之前都经过以下预处理：SiC砂纸水磨至400#；喷砂机上进行湿喷砂处理，喷丸采用200#刚玉砂和玻璃砂的混合物，压力为0.25MPa；对喷砂样品依次经过自来水、去离子水和丙酮超声清洗备用。钇磷改性铝化物扩散涂层制备分为两个步骤，首先使用复合化学镀法沉积复合镀层基底，然后通过化学气相沉积法进行渗铝，渗铝过程中复合镀层基底中的钇会成为渗钇源，随着铝元素沉积到涂层内部，而部分P则会被化学气相沉积烧掉。复合镀层基底采用复合化学镀工艺，具体工艺流程如下(1)前期净化处理：将喷砂之后的样品在丙酮中进行超声清洗，去除涂层表面的油垢，获得新鲜的基体表面，为涂覆打好基础；(2)敏化处理：敏化处理配方为：20g/l氯化亚锡，SnCl240ml/l浓盐酸，HCl温度为室温，将样品放入溶液中敏化3min；(3)活化处理：活化处理配方为：0.2g/l氯化钯，PdCl22ml/l盐酸，HCl温度为室温，时间5min；(4)预涂覆：将Ni丝放入化学镀液中触发(化学镀需要触发之后反应才能进行)；(5)复合化学镀镀液配方为：20g/l六水合硫酸镍，NiSO4.6H2O10g/l柠檬酸钠，C6H5Na3O7.2H2O30g/l氯化铵，NH4Cl30g/l磷酸氢钠，NaH2PO22.5g/l氧化钇，Y2O3(颗粒度分为50nm和100nm两种，在十六烷基溴化铵阳离子型表面活性剂中进行表面改性)用氨水调节PH值，范围在9-10之间，镀液温度45℃。复合化学镀的镀液配制流程如下：称取计量的镍盐(NiSO4)，柠檬酸钠(络合剂)，NH4Cl(稳定剂)，NaH2PO2(还原剂)，分别用蒸馏水稀释融解；将已本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活性元素改性铝化物涂层，其特征在于：该涂层包括β‑NiAl相和活性元素，所述活性元素为Y和P；按重量百分含量计，涂层中Y为0.1～0.6％，P为0.1～5％，β‑NiAl相中Al含量40～70％。

【技术特征摘要】
1.一种活性元素改性铝化物涂层，其特征在于：该涂层包括β-NiAl相和活性元素，所述活性元素为Y和P；按重量百分含量计，涂层中Y为0.1～0.6％，P为0.1～5％，β-NiAl相中Al含量40～70％。
2.根据权利要求1所述的活性元素改性铝化物涂层，其特征在于：所述改性铝化物涂层中，P元素在铝化物涂层中以NixP100-x的形式存在，X取值范围为85～90。
3.根据权利要求1所述的活性元素改性铝化物涂层，其特征在于：所述改性铝化物涂层厚度为30-50μm。
4.根据权利要求1所述的活性元素改性铝化物涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺具体包括如下步骤：
(1)将活性元素与镍元素通过复合化学镀共沉积到基体上形成复合镀层基底；复合镀层基底中P元素含量为10～17wt.％，Y元素含量为20～30wt.％，复合镀层基底厚度为1～5μm；
(2)在所述复合镀层基底上通过包埋渗铝或低压气相沉积法渗Al元素，获得含有P和Y活性元素的改性铝化物涂层。
5.根据权利要求4所述的活性元素改性铝化物涂层的制备工艺，其特征在于：步骤(1)所得的复合镀层基底中，P元素以NixP100-x的形式存在，X取值范围为85～90；Y以Y2O3的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫骏，于昊君，范其香，邓郭勇，孙超，姜肃猛，
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