【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及金属材料学及高温防护涂层的方案设计和应用，具体涉及一种成分线性变化的高温防护涂层及其制备方法。
技术介绍
1、现有技术中，航空发动机一般在高温、高压的环境下工作，在临海区域更是需要在含cl、s的环境中运行，这些因素对于航空发动机是破坏性的，所以制造航空发动机的材料不仅要求较高的高温强度，还应当具备较好的抗蠕变强度和抗高温性能。并且涡轮前温度每提升100 ℃，推力可增加20%，为了追求更高的发动机推重比和热效率，涡轮前温度也需要进一步提高，这对发动机使用的合金也提出了更高的要求。但是传统的高温合金耐高温性能已接近其性能极限，为了满足高温合金在更严苛的环境下的工作，需要在合金表面制备高温防护涂层。
2、高温防护涂层是指可在高温下使用并提供良好抗氧化和抗热腐蚀性能，防止基体合金因形成非保护性氧化物而快速消耗的系列涂层，它的保护性作用主要来自其表面的缓慢生长的氧化膜，包括al2o3、cr2o3及sio2等。以al元素为例，其是合金抗高温氧化性能的关键元素，高于一定al含量的合金在氧化过程中可形成保护性的氧化膜，这种氧化膜具有较低的阳离子空位，对高于1000℃和ⅰ型(800-950℃)热腐蚀具有保护性能。但是过高的al含量将导致合金变脆，力学性能较差。为满足实际应用的要求，通常在满足高温力学性能合金表面施加高温防护涂层来满足合金的抗高温氧化要求。然而在高温合金表面制备高含量al金属涂层会导致其过度界面出现显著的元素梯度进而发生元素扩散，影响基体力学性能与涂层结合性能，这在实际使用过程中大大降低了理论服役寿命。p>
3、现有技术中，cn114277350a公开了一种结构稳定的纳米高温防护涂层及其制备方法，所述涂层中掺杂有非金属元素，其他元素的含量与合金一致。虽然所述涂层成分与合金基本一致，减缓了涂层与基体中合金元素之间的互扩散，但由于其中保护性元素的含量并没有显著提高，高温环境中对基体材料的保护作用并没有显著提高。cn114293147b公开了一种镍基高温合金材料及其制备方法，所述防护涂层自基体至表面包括防扩散粘结层和多层梯度涂层，所述防扩散粘结层为积feconicrsib高熵合金涂层，所述多层梯度涂层由内向外依次由crcen涂层、alcrn涂层、alcrsin涂层以及alcrsicen涂层组成，上述涂层中各层之间合金元素含量及种类仍有明显差异，无法解决各涂层之间元素的明显互扩散问题。
4、因此，迫切需要一种成分线性变化的高温防护涂层，使得该涂层既具有良好的力学性能，又不会因应力产生裂纹。
技术实现思路
1、针对上述现有技术，本专利技术的目的是提供一种成分线性变化的高温防护涂层及其制备方法。本专利技术通过磁控溅射技术制备了一种高温防护涂层，所述高温防护涂层的成分以基体合金成分为依据，自内往外呈线性变化，最里层的涂层成分与基体合金成分趋近，最外层为保护性元素层。本专利技术制得的成分线性变化的高温防护涂层能够很好地克服合金基体和涂层间存在的界面互扩散导致的力学性能下降的问题；富铝（铬）层和富镍（铁、钴等）层反应而导致的相转变引起的应力，从而导致裂纹的问题；过大的化学元素成分梯度导致的内应力，从而使得涂层使用寿命较短的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术的第一方面，提供了一种成分线性变化的高温防护涂层，所述成分线性变化的高温防护涂层涂覆于合金基体上，其组成元素含量自合金基体由内向外呈线性变化；其中，
4、所述成分线性变化的高温防护涂层的最内层组成元素为合金基体中元素含量范围的最小值≥4%的金属元素，最内层组成元素的含量取值为：除合金基体中的主元素外，其他组成元素的含量取该元素占合金基体中含量范围的最小值，余量为合金基体中的主元素；
5、所述成分线性变化的高温防护涂层的最外层的组成元素仅为保护性元素；
6、所述成分线性变化的高温防护涂层中保护性元素含量由内向外逐渐增加至100%，其他元素含量由内向外逐渐降低至0%；
7、所述保护性元素为al或cr。
8、优选的，所述合金基体为镍基高温合金、钴基高温合金、铁基高温合金或钛合金。
9、优选的，所述成分线性变化的高温防护涂层的厚度为20-50μm。
10、本专利技术的第二方面，提供了一种成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，包括以下步骤：
11、采用磁控溅射法或多弧离子镀法，根据高温防护涂层的元素组成选择对应靶材，在合金基体的表面沉积，得到成分线性变化的高温防护涂层。
12、优选的，采用磁控溅射法将成分线性变化的高温防护涂层涂覆于合金基体的表面的具体操作为：
13、对合金基体进行表面预处理后，通过梯度调节磁控溅射各靶材的功率，沉积得到高温防护涂层。
14、优选的，所述靶材为纯金属靶。
15、进一步优选的，采用与高温防护涂层的组成元素相同的每种元素分别作为纯金属靶的元素。
16、优选的，磁控溅射各靶材的功率为0-1000w，沉积时间为4-12h。
17、优选的，磁控溅射过程中，保证各靶材的功率在单位沉积时间内的变化量与成分线性变化的高温防护涂层中与靶材对应的元素在单位沉积时间内元素含量的变化量相同，且各靶材功率总和等于磁控溅射靶的总功率；
18、所述磁控溅射靶的总功率为1000w。
19、进一步优选的，元素在单位沉积时间内元素含量的变化量由如下公式计算得到：
20、kⅰ=式（i）
21、式（i）中，ki为单位沉积时间内元素含量变化量，单位为%/小时；a为高温防护涂层中某一元素在最外层的含量，单位为%；b为高温防护涂层中同一元素在最内层的含量，单位为%；t为沉积时间，单位为小时。
22、优选的，对合金基体进行表面预处理操作为：将合金基体打磨后，置于由丙酮和乙醇组成的混合液中超声清洗8-12min，再于80-100℃下干燥10-15min。
23、进一步优选的，混合液中，丙酮、乙醇的体积分数均为50%
24、优选的，沉积高温防护层的参数为：靶材与合金基体的距离为10-20cm；偏压清洗过程中，真空度为3×10-3pa，温度为300℃，偏压为-400v，清洗时间为5min；溅射过程中，充入氩气至真空度为0.2pa，温度为200℃，溅射时间为4-12h。
25、本专利技术的有益效果：
26、本专利技术制得的高温防护涂层合金元素含量自合金基体由内向外变化；最内层的组成元素为合金基体中元素含量≥4%的金属元素，最外层的组成元素仅为保护性元素。由于高温防护涂层的最内层组成元素及含量与合金基体的组成元素及含量相似，克服了界面互扩散导致的力学性能下降的问题，同时，克服了富铝（铬）层和富镍（铁、钴等）层反应而导致的相转变引起的应力，从而导致裂纹等。
27、本专利技术制得的高温防护涂层自内向外的元素含量呈线性变化，保护性元素含量自内向外逐渐增大至100%，使得高本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种成分线性变化的高温防护涂层，其特征在于，所述成分线性变化的高温防护涂层涂覆于合金基体上，其组成元素含量自合金基体由内向外呈线性变化；其中，
2.如权利要求1所述的成分线性变化的高温防护涂层，其特征在于，所述合金基体为镍基高温合金、铁基高温合金或钛合金中的一种。
3.如权利要求1所述的成分线性变化的高温防护涂层，其特征在于，所述成分线性变化的高温防护涂层的厚度为20-50μm。
4.权利要求1-3任一项所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法将成分线性变化的高温防护涂层沉积于合金基体的表面的操作为：
6.如权利要求5所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，磁控溅射各靶材的功率为0-1000W，沉积时间为4-12小时。
7.如权利要求5所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，梯度调节磁控溅射各靶材的功率的方法为：磁控溅射过程中，保证各靶材的功率在单位沉积时间
8.如权利要求7所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，高温防护涂层中各元素在单位沉积时间内元素含量的变化量由如下公式计算得到：
9.如权利要求5所述的成分线性变化的高温防护涂层得制备方法，其特征在于，对合金基体进行表面预处理操作为：将合金基体打磨后，置于由丙酮和乙醇组成的混合液中超声清洗，干燥。
10.如权利要求5所述的成分线性变化的高温防护涂层得制备方法，其特征在于，沉积得到高温防护层过程中的参数为：靶材与合金基体的距离为10-20cm；偏压清洗过程中，真空度为3×10-3Pa，温度为300℃，偏压为-400V，清洗时间为5min；溅射过程中，真空度为0.2Pa，温度为200℃，溅射时间为4-12小时。
...【技术特征摘要】
1.一种成分线性变化的高温防护涂层，其特征在于，所述成分线性变化的高温防护涂层涂覆于合金基体上，其组成元素含量自合金基体由内向外呈线性变化；其中，
2.如权利要求1所述的成分线性变化的高温防护涂层，其特征在于，所述合金基体为镍基高温合金、铁基高温合金或钛合金中的一种。
3.如权利要求1所述的成分线性变化的高温防护涂层，其特征在于，所述成分线性变化的高温防护涂层的厚度为20-50μm。
4.权利要求1-3任一项所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法将成分线性变化的高温防护涂层沉积于合金基体的表面的操作为：
6.如权利要求5所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于，磁控溅射各靶材的功率为0-1000w，沉积时间为4-12小时。
7.如权利要求5所述的成分线性变化的高温防护涂层的制备方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢冬柏，董海荣，李强，姜卫国，郭辉，尹金鹏，赵德彪，
申请(专利权)人：潍坊科技学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。