一种单晶高温合金基体上外延生长MCrAlY单晶涂层的制备方法技术

一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY涂层的制备方法，所述方法将单晶高温合金基体采用砂纸打磨试样表面，去除表面层应力和氧化物；采用丙酮超声清洗吹干；将MCrAlY粉末在干燥箱中干燥，采用压片机压成一定厚度的薄片后放置于高温合金基体表面；采用电子束熔覆设备将粉末薄片熔覆在基体上形成涂层。本发明专利技术为单晶高温合金基体表面外延生长MCrAlY单晶涂层提供了一种新的方法，本方法可一次性制备较厚的与基体取向一致的单晶涂层，且涂层中杂晶组织少，基体无需预热等。本发明专利技术可用于所有单晶高温合金基体上单晶涂层的制备。

A preparation method for epitaxial growth of MCrAlY single crystal coating on single crystal superalloy substrate

【技术实现步骤摘要】
一种单晶高温合金基体上外延生长MCrAlY单晶涂层的制备方法
本专利技术涉及一种单晶高温合金基体上外延生长MCrAlY单晶涂层的制备方法，属金属及合金表面涂层

技术介绍
随着燃气涡轮发动机工作温度的不断提高，要求其燃气涡轮叶片必须具备足够的承温性能，单晶高温合金由于其优异的高温性能而广泛应用于制造燃气涡轮发动机叶片中。但是在高温工作条件下，单晶涡轮叶片叶冠阻尼面易发生磨损与氧化，因此需要在阻尼面上施加一层高温耐磨抗氧化涂层。MCrAlY（其其中M代表Ni基或Co基的三元Ni-Cr-Al或CoCr-Al合金体系）以其优异的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，成为航空发动机热端部件高温防护系统中不可缺少的部分。但是，采用传统的涂层制备技术，如热喷涂，磁控溅射，低压等离子喷涂等，所制备的MCrAlY涂层为任意取向的多晶涂层，在使用过程中由于发动机频繁启停使得该多晶涂层与单晶高温合金基体间会产生很大的热应力，导致热疲劳和热机械疲劳性能恶化。因此，在单晶高温合金基体上研究发展定向凝固、单晶合金的外延沉积涂层工艺是非常必要的。公开号CN108330483公开了一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，该方法采用同轴送粉的方式在单晶高温合金基体上进行熔覆成形，再经过退火处理获得涂层组织，所制备的单晶MCrAlY涂层晶体取向与合金基体一致，且涂层与基体的接触面可形成致密的冶金结合。但是该方法制备的单晶MCrAlY涂层容易在涂层上部及各个熔池线交接位置处发生CET转变形成与基体取向不一致的等轴晶，这样极大影响到涂层的性能。公开号CN101126143公开了一种在定向凝固柱晶或单晶高温合金基材上进行高能微弧火花多层沉积定向凝固柱晶或单晶涂层的方法，该方法不会对镍基高温合金产生热损伤，且基体无需预热处理。但是该方法存在沉积效率低，单层涂层薄（几个微米），多层沉积时结合界面处出现杂晶等缺点。电子束熔覆技术是近期发展起来的新技术，它具有电子束能量密度高，利用率高，仅需毫秒间就可将金属材料表面由室温加热至奥氏体化温度或熔化温度，且冷却速度可达106-108℃/s，因此，熔覆过程中液相熔池的凝固速率非常快，形成非平衡凝固，这种非平衡凝固使得涂层晶体容易沿基体垂直方向生长，定向凝固形成具有一定晶粒取向的柱状晶。与激光熔覆和微弧火花沉积方法相比，该方法通过预铺粉末可一次性在单晶高温合金基体上外延生长成几十微米到几毫米的单晶涂层，且涂层中不存在杂晶组织，无需后续热处理，基体无需预热等。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有单晶MCrAlY涂层工艺存在的诸多问题，本专利技术提出一种单晶高温合金基体上外延生长MCrAlY单晶涂层的制备方法。本专利技术实现的技术方案如下：一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY涂层的制备方法，所述方法将干燥后的MCrAlY粉末压成薄片，放置在经清洗打磨的单晶高温合金基体表面，采用电子束熔覆在基体上形成涂层。一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）将单晶高温合金基体采用砂纸打磨试样表面，去除表面层应力和氧化物；采用丙酮超声清洗，用电热吹风机吹干备用；（2）将MCrAlY粉末在干燥箱中干燥，采用压片机压成一定厚度的薄片后放置于高温合金基体表面；（3）采用电子束熔覆设备将粉末薄片熔覆在基体上形成涂层，待冷却后取出。所述步骤（1）中打磨试样采用100-1000目的砂纸。所述步骤（2）中，所述MCrAlY粉末中的M为Ni、Co或NiCo；粉末的粒度为45-200μm。所述MCrAlY粉末中可选择性加入微量Ta，W元素。所述步骤（2）中，薄片的厚度为0.1-5mm，使用前在真空干燥箱100℃-150℃中进行烘干处理。所述步骤（3）中，电子束熔覆电压为10-70kV，熔覆速率为10-100mm2/s，熔覆电流为10-100mA；所述电子束熔覆设备的真空度为2×10-1~2×10-2Pa。本专利技术的有益效果是，本专利技术为单晶高温合金基体表面外延生长MCrAlY单晶涂层提供了一种新的制备方法，本方法可一次性制备较厚的与基体取向一致的单晶涂层，且涂层中杂晶组织少，基体无需预热等。本专利技术可用于所有单晶高温合金基体上单晶涂层的制备。附图说明图1为本专利技术外延生长单晶NiCoCrAlTaY涂层的制备流程；图2为实施例1中NiCoCrAlTaY单晶涂层的光学显微镜照片；图3为实施例1中NiCoCrAlTaY单晶涂层的XRD照片；图4为实施例1中NiCoCrAlTaY单晶涂层的EBSD照片；图5为实施例2中NiCoCrAlTaY单晶涂层的光学显微镜照片；图6为实施例2中CoNiCrAlTaY单晶涂层的EBSD照片。具体实施方式本专利技术的具体实施方式如图1所示。实施例1，按照本专利技术外延生长单晶MCrAlY涂层的制备流程描述的方法在单晶镍基高温合金上外延生长NiCoCrAlTaY单晶涂层,单晶合金成分为8.23Cr-5.6Co-2.47Mo-6.7W-2.39Ta-6Al-1.68Ti(质量百分比），其余为Ni，NiCoCrAlYTa粉末中添加了微量元素Ta，成分为25Co-20Cr-8Al-4Ta-0.8Y(质量百分比），其余为Ni。利用传统的螺旋选晶法制备单晶高温合金棒材基体，棒材直径为Φ15mm,在单晶基体上切取厚为2mm的圆形薄片，用180目的砂纸打磨后用丙酮超声波清洗基体表面以去除油污和杂质，用电热吹风及吹干备用。通过压片机将NiCoCrAlYTa粉末压成厚为0.3mm的圆形薄片后铺覆于基体上。熔覆参数为熔覆电压60kV，熔覆速率20mm2/s，熔覆电流18.0mA，真空度2×10-4。实验结束后用5gCuSO4+20mlHCL+100mlH2O的溶液腐蚀式样5s，在光学显微镜下进行观测。观察结果如图2所示，图2（a）显示了制备的涂层厚度约为200μm，且涂层呈柱状沿一个方向生长，图2（b)为图2（a）的局部放大图，从图2(b)可知，柱状枝晶间距约为5μm。其中图3为镍基高温合金上电子束外延生长NiCoCrAlYTa涂层的XRD图，从图中可以观察到涂层和基体都由γ-Ni和γ’-Ni3Al组成，且涂层与基体的(111)/(200)衍射峰角度一致一致。图4为NiCoCrAlYTa涂层的EBSD图，图4（a）为扫描电镜图，图4（b）为对应的IPF图，从图中可知涂层和基体的取向一致，都为<001>方向，在涂层上部并未出现激光熔覆中的等轴晶，只是在熔池交界处出现少量低角度的杂晶。实施例2，按照本专利技术外延生长单晶MCrAlY涂层的制备流程描述的方法在单晶镍基高温合金上外延生长NiCrAlTaY单晶涂层,单晶合金成分为8.23Cr-5.6Co-2.47Mo-6.7W-2.39Ta-6Al-1.68Ti(质量百分比），其余为Ni，CoNiCrAlTaY粉末中添加了微量元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY涂层的制备方法，其特征在于，所述方法将干燥后的MCrAlY粉末压成薄片，放置在经清洗打磨的单晶高温合金基体表面，采用电子束熔覆在基体上形成涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY涂层的制备方法，其特征在于，所述方法将干燥后的MCrAlY粉末压成薄片，放置在经清洗打磨的单晶高温合金基体表面，采用电子束熔覆在基体上形成涂层。


2.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将单晶高温合金基体采用砂纸打磨试样表面，去除表面层应力和氧化物；采用丙酮超声清洗，用电热吹风机吹干备用；
（2）将MCrAlY粉末在干燥箱中干燥，采用压片机压成一定厚度的薄片后放置于高温合金基体表面；
（3）采用电子束熔覆设备将粉末薄片熔覆在基体上形成涂层，待冷却后取出。


3.按照权利要求2所述的一种单晶高温合金基体上外延生长单晶MCrAlY的制备方法，其特征在于，所述打磨试样采用100-1000目的砂纸。

【专利技术属性】
技术研发人员：王文琴，肖晟，王德，李玉龙，艾凡荣，刘东雷，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36