一种耐高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法，在金属基体上设有具有冶金结合的微晶金属间化合物涂层，微晶的晶粒尺寸为０．１～１０μｍ，涂层的厚度为≤１５０μｍ，所述的涂层材料是Ｔｉ－Ａｌ系、Ｎｉ－Ａｌ系、Ｆｅ－Ａｌ系金属间化合物。涂层采用高能微弧合金化技术制备，参数为：输出功率为５０～２０００Ｗ，电压为４０～１００Ｖ，频率为≤２０００Ｈｚ，制备时间≤３０ｍｉｎ／ｃｍ２。所述的涂层制备环境为非反应性气体保护，如氮气、氩气等，温度为室温。本发明专利技术制备的金属间化合物涂层，不仅可以保留基体金属的高温力学性能，而且抗高温氧化性能大大提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属间化合物涂层领域，更具体地说，是涉及一种耐高温氧化金属间 化合物涂层及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的发展和生产技术的进步，加工设备的运转、加工能量、生产效率和 自动化水平日益提高，产品服役性能的要求也越来越严格，特别是高温部件的耐蚀性能的 要求，而仅靠提高基材合金的性能有时已难以满足使用要求。另外，通常的高温合金必须同 时满足两方面的要求优异的高温力学性能和抗高温腐蚀性。Al和Cr是重要的抗高温腐 蚀元素，但是在高强度的合金中，如果Cr含量太高就会生成对力学性能有害的相，Al含量 太高就会使合金塑性下降，加工性能恶化。要解决合金高温力学性能和腐蚀性能之间的矛 盾，一种有效的途径就是在合金表面施加防护涂层。涂层的制备方式很多，如热扩散渗Al、CVD或PVD、电镀、热喷涂、溅射等。热扩散 渗Al是较常用的涂层制备方式，但是其工作温度较高，材料会发生氧化；CVD或PVD技术制 备的涂层与基体间结合不太好，而EB-PVD (电子束物理气相沉积)虽然涂层附着力强，对涂 层污染少，但是设备复杂，涂层生产成本高。当涂层成分复杂或熔点较高时，溅射方法制备 涂层有着明显的优越性，但是此种方式沉积效率低，成本较高。早期的常压等离子喷涂，涂 层孔隙率高，结合力差，后来发展为低压真空等离子喷涂，涂层沉积效率高，性能改善，但是 这使得设备复杂，涂层制备成本提高。成本低廉、操作方便、性能优良的涂层制备技术一直受到重视。高能微弧合金化 技术(HEMAA)是一种简便易行、成本低廉的金属材料表面处理工艺，能在合金表面形成高硬 度、耐磨、具有特殊物理、化学性能的强化层，而且涂层与基材之间是冶金结合，涂层制备中 对基材热影响区非常小。而且HEMAA能制备微晶或纳米晶的涂层，晶粒的细化有利于元素 的选择性氧化，增加涂层的抗高温腐蚀性能。金属间化合物有许多优良的性能，包括高熔点、高抗高温腐蚀性能、较高的高温强 度和蠕变抗力以及高的比强度，而且具有峰值温度以下屈服强度的正温度效应。但室温脆 性仍是其作为实用高温结构材料的主要障碍。将金属间化合物用作表面涂层材料，则可以 避免对韧性不良的金属间化合物的加工成型，充分发挥金属间化合物的性能优势，改善母 材金属表面的服役性能。
技术实现思路
为了同时满足材料优异的高温力学性能和抗高温氧化性能，本专利技术提供了一种耐 高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法。本专利技术的技术方案为一种耐高温氧化金属间化合物涂层，在金属基体上设有 具有冶金结合的微晶金属间化合物涂层，微晶的晶粒尺寸为0.广ΙΟμπι，涂层的厚度为 ≤150 μ m，所述的涂层材料是Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系金属间化合物。所述的金属基体为普通的不锈钢材料、高温合金、金属间化合物中的任意一种。制备所述的耐高温氧化金属间化合物涂层的方法，在非反应气体保护中，室温下， 应用高能微弧合金化技术在洁净的金属基体表面制备金属间化合物涂层，制备的参数范围 为输出功率为5(T2000W，输出电压为4(Tl00V，输出频率为≤2000Hz，制备时间彡30min/ cm2 ；涂层材料是Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系金属间化合物。所采用的高能微弧合金化技术制备的参数范围优选为输出功率为90(T2000W， 输出电压为6(T80V，输出频率为100(Γ2000Ηζ，制备时间为2 7min/cm2。更优选的方案为在结束前，将输出电压调整为4(T60V，然后再扫过整个涂层表面一次。所述的非反应性气体为氮气或氩气。有益效果1、本专利技术采用高能微弧合金化技术在金属基体表面制备耐高温氧化的金属间化合物 涂层，所得到的涂层与金属基体属于冶金结合。涂层在90(TC和ioocrc进行高温氧化实验 时，作为涂层材料的原铸态金属间化合物会出现氧化膜开裂和剥落现象，而制备成涂层之 后，其氧化速率常数能减小一个数量级，最后均能形成连续致密的、粘附性良好而且较薄的 Al2O3膜，这层氧化膜具有非常好的稳定性和保护性，在实验600h后，没有出现任何缺陷和 增厚现象。这表明本专利技术制备的金属间化合物涂层，不仅可以保留基体金属的高温力学性 能，而且抗高温氧化性能大大提高。2、本专利技术工艺简单、处理成本低廉。附图说明图1为Fe3Al涂层截面金相照片。图2为Fe3Al涂层在900°C空气中氧化200h截面扫描电镜形貌。图3为Ni3Al涂层截面金相照片图4为Ni3Al涂层在1000°C空气中氧化200h截面扫描电镜形貌放大倍数为5 μ m。图5为Ni3Al涂层在1000°C空气中氧化200h截面扫描电镜形貌放大倍数为20 μ m。具体实施例方式一种耐高温氧化金属间化合物涂层，在金属基体上设有具有冶金结合的微晶金属 间化合物涂层，微晶的晶粒尺寸为0. ΓΙΟ μ m,涂层的厚度为< 150 μ m ；所述的涂层材料是 Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系金属间化合物。所述的金属基体为普通的不锈钢材料如304、316、310等、高温合金如K3钢、金属 间化合物如Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系中的任意一种。制备所述的耐高温氧化金属间化合物涂层的方法，在非反应气体保护中，室温下， 应用高能微弧合金化技术在洁净的金属基体表面制备金属间化合物涂层，制备的参数范围 为输出功率为5(T2000W，输出电压为4(Tl00V，输出频率为彡2000Hz，制备时间彡30min/ cm2 ；涂层材料是Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系金属间化合物。所采用的高能微弧合金化技术制备的参数范围优选为输出功率为90(T2000W， 输出电压为6(T80V，输出频率为100(Γ2000Ηζ，制备时间为2 7min/cm2。更优选的方案为在结束前，将输出电压调整为4(T60V，然后再扫过整个涂层表面一次。所述的非反应性气体为氮气或氩气。所述的耐高温氧化金属间化合物涂层的制备方法，更具体的步骤为第一步金属基体的按常规方式进行前处理。金属基体可以选择不锈钢材料如304、 316、310等，或者是高温合金如Κ3钢，也可以是金属间化合物如Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al 系等，根据所使用的环境需要选择即可。金属基体预先打磨掉外层氧化层，采用水磨砂纸打 磨至(Γ2000#，优选100(Γ2000#，然后清洗金属基体，可采用无水乙醇或丙酮清洗，优选丙 酮。晾干后得到洁净的金属基体待用。第二步涂层材料的按常规方式进行准备与处理。涂层材料可以选择Ti-Al系、 Ni-Al系、Fe-Al系任意一种金属间化合物，切割成直径为3 5mm的圆棒，并砂纸打磨用丙酮清洗表面。第三步金属间化合物涂层的制备。应用高能微弧合金化技术(HEMAA)在金属基 体表面制备金属间化合物涂层。设备输出功率为5(T2000W，优选90(T2000W;输出电压为 40 100V，优选6(T80V ；输出频率为< 2000Hz，优选100(Γ2000Ηζ ；制备时间< 30min/cm2，优 选2-7 min/cm2。为了使沉积的涂层表面更加光滑，最后在其它工艺参数不变的条件下，将 电压调到4(T60V，扫过整个涂层表面。根据所选涂层材料和制备参数的不同，所得涂层晶粒 尺寸为0.广10 μ m，涂层的厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐高温氧化金属间化合物涂层，其特征在于，在金属基体上设有具有冶金结合的微晶金属间化合物涂层，微晶的晶粒尺寸为０．１～１０μｍ，涂层的厚度为≤１５０μｍ；所述的涂层材料是Ｔｉ－Ａｌ系、Ｎｉ－Ａｌ系、Ｆｅ－Ａｌ系金属间化合物。

【技术特征摘要】
一种耐高温氧化金属间化合物涂层，其特征在于，在金属基体上设有具有冶金结合的微晶金属间化合物涂层，微晶的晶粒尺寸为0.1~10μm，涂层的厚度为≤150μm；所述的涂层材料是Ti Al系、Ni Al系、Fe Al系金属间化合物。2.如权利要求1所述的耐高温氧化金属间化合物涂层，其特征在于，所述的金属基体 为普通的不锈钢材料、高温合金、金属间化合物中的任意一种。3.制备权利要求1所述的耐高温氧化金属间化合物涂层的方法，其特征在于，在非 反应气体保护中，室温下，应用高能微弧合金化技术在洁净的金属基体表面制备金属间化 合物涂层，制备的参数范围为输出功率为5(T2000W，输出电压为4(T100V，输出频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵勇，郭平义，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]