技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金表面改性領(lǐng)域，具體的涉及一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法。
背景技術(shù)：
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鎳基高溫合金一般在600℃以上承受一定應(yīng)力的條件下工作，它不但有良好的高溫抗氧化和抗腐蝕能力，而且有較高的高溫強度、蠕變強度和持久強度，以及良好的抗疲勞性能。主要用于航天航空領(lǐng)域高溫條件下工作的結(jié)構(gòu)部件，如航空發(fā)動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。
隨著航空發(fā)動機對能源效率和推力的要求越來越高，使得渦輪進口溫度的上升速度(15℃/年)遠超過了高溫合金耐熱性的增速(5℃/年)。目前，僅靠氣膜冷卻技術(shù)和合金本身性能已無法滿足航空發(fā)動機的設(shè)計需要。
為了使發(fā)動機和燃氣輪機渦輪部件的可靠性和壽命得到有效提高，可以在其表面施加防護涂層，將高溫、高壓環(huán)境與發(fā)動機和燃氣輪機渦輪部件合金基體隔絕開，降低渦輪部件被氧化和腐蝕的危害。目前各航空強國為了保持領(lǐng)先優(yōu)勢，都把如何對渦輪部件尤其是渦輪葉片進行有效防護作為研究重點和核心技術(shù)秘密。其中渦輪葉片作為航空發(fā)動機以及燃氣輪機的核心零件，所處環(huán)境極其復(fù)雜和惡劣，而且處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。這就要求涂層不但要有較好的組織和化學(xué)熱穩(wěn)定性，而且其物理性能和機械性能要具有與基體合金較好的匹配性。
中國碩士論文(“鎳基單晶合金表面nicralysi涂層真空電弧鍍工藝及高溫性能研究；龔穎勇，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015年12月)采用真空電弧鍍技術(shù)在鎳基單晶合金表面制備了nicralysi防護涂層。研究了涂鍍電流對涂層組織與厚度的影響。發(fā)現(xiàn)當電弧電流為620±10a時，會造成電弧不穩(wěn)和熄弧現(xiàn)象，使涂層組織結(jié)構(gòu)不均勻，內(nèi)部存在孔隙、空洞等缺陷。當電弧電流為720±10a時，靶材會被輕微損壞。只有當電弧電流處于670±10a時，涂層的涂鍍過程處于相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，涂層組織均勻致密。涂鍍時間不超過150min時，nicralysi涂層厚度與涂鍍時間呈正比關(guān)系，且涂層厚度均勻，不同位置厚度差距不超過3μm。經(jīng)760℃高溫拉伸試驗結(jié)果表明，含nicralysi涂層的鎳基單晶合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率分別為1115mpa、922mpa、14.5％和21.5％。含nicralysi涂層的鎳基單晶合金在980℃下的高溫抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率分別為885.0mpa、822.5mpa、31.5％和37.3％。與鎳基單晶合金基體相比，nicralysi涂層顯著提高了在1100℃下的抗恒溫氧化性能和在1000℃下的抗循環(huán)氧化性能。在1100℃靜態(tài)空氣中恒溫氧化100h后，涂層樣品的平均氧化速度約為0.087g/m2h(小于0.1g/m2h)，達到完全抗氧化級。但是該涂層的耐高溫性能和抗氧化性能仍需要進一步改善才能夠滿足渦輪葉片適應(yīng)于惡劣環(huán)境的要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，該方法制得的渦輪葉片熱導(dǎo)率低，耐高溫性能好，耐磨性能優(yōu)異，使用壽命久。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：
(1)采用氣霧化制粉工藝，制得鎳基合金粉末，待用；
(2)建立渦輪葉片的三維模型，然后沿高度方向上對其進行離散化分層，形成厚度均勻的切片，將切片文件導(dǎo)入到電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備中；
(3)在電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備內(nèi)裝入上述制得的鎳基合金粉末，并將成型基板放置于電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備的成型腔內(nèi)可升降的平臺上，對成型腔抽真空，并對成型基板預(yù)熱，預(yù)熱完成后在基板上平鋪一層鎳基合金粉末，然后通過預(yù)先設(shè)計的電子束掃描合金粉末，得到沉積層，依次實現(xiàn)層層堆積，直至渦輪葉片加工完成，加工完成后，通入冷卻氣體，待葉片冷卻至80℃以下，取出并冷卻至室溫，得到待處理的渦輪葉片；
(4)將上述制得的待處理的渦輪葉片清洗干燥后放入石墨加熱爐中，處理1-4h后隨爐冷卻后取出；
(5)在上述處理后的渦輪葉片表面沉積一層金屬粘結(jié)層后干燥，然后采用超音速噴涂工藝在金屬粘結(jié)層表面噴涂一層熱障涂層，干燥后得到耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片；
其中，所述熱障涂層的材料包括稀土鈮酸鹽及其固溶體，其中所述稀土鈮酸鹽化學(xué)組成為：ln3nbo7，ln包括la，pr，nd，sm，eu，gd，tb，dy，ho，er，tm，yb，lu，y及sc中的一種或多種組合；所述固溶體化學(xué)組成為ln3(nb1-xtax)o7(0≤x＜1)。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(1)中，所述氣霧化制粉的條件為：采用真空霧化技術(shù)，氮氣壓力為3.5-4mpa，熔液過熱度為120-180℃、管徑為5mm，伸出長度為11mm時采用緊耦合限制式噴嘴霧化。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(1)中，所述鎳基合金粉末的成分為al4-5.5％、nb5-8％、ti1-3.2％、cr0.5-3.5％，其余為ni。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(2)中，所述切片的厚度為0.02-0.08mm。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，每層沉積層的厚度與步驟(2)所述切片的厚度相同，沉積層制備過程中成型腔內(nèi)的真空度為10-2pa。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(3)中，所述基板預(yù)熱的條件為：電子束掃描速度為10000-11500mm/s，電子束流為40ma，掃描間距為0.03-0.15mm。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(4)中，所述處理的條件為爐溫為1100-1200℃，壓力為8-12mpa。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(5)中，所述金屬粘結(jié)層為mcraly合金，其中m為ni、co、fe中的一種或多種組合，y為y、la、hf中的一種，金屬粘結(jié)層的厚度為150-300μm。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，步驟(5)中，所述熱障涂層的厚度為200-300μm。
鉻在鎳基變形高溫合金中，可以有效增加基體的抗氧化及耐蝕能力；nb、al、ti的加入，其可以與基體形成ni3(nb,al,ti)相，其作為強化相可以有效提高材料的屈服強度。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明制得的熱障涂層，1000℃致密塊體本征熱導(dǎo)率為1.1-1.4w/m·k，相比目前商用ysz有大幅降低，且該材料從室溫至1600℃保持相穩(wěn)定性和優(yōu)異的阻氧能力。
而且本發(fā)明在噴涂熱障涂層之前現(xiàn)在渦輪葉片表面噴涂一層金屬粘結(jié)層，有效改善了涂層之間的結(jié)合力，
具體實施方式：
為了更好的理解本發(fā)明，下面通過實施例對本發(fā)明進一步說明，實施例只用于解釋本發(fā)明，不會對本發(fā)明構(gòu)成任何的限定。
實施例1
一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：
(1)采用氣霧化制粉工藝，制得鎳基合金粉末，待用，其中，氣霧化制粉的工藝條件為：采用真空霧化技術(shù)，氮氣壓力為3.5mpa，熔液過熱度為120℃、管徑為5mm，伸出長度為11mm時采用緊耦合限制式噴嘴霧化，鎳基合金粉末的成分為al4％、nb5％、ti1％、cr0.5％，其余為ni；
(2)建立渦輪葉片的三維模型，然后沿高度方向上對其進行離散化分層，形成厚度均勻的切片，切片厚度為0.02mm，將切片文件導(dǎo)入到電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備中；
(3)在電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備內(nèi)裝入上述制得的鎳基合金粉末，并將成型基板放置于電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備的成型腔內(nèi)可升降的平臺上，對成型腔抽真空至10-2pa，并對成型基板預(yù)熱，預(yù)熱完成后在基板上平鋪一層鎳基合金粉末，然后通過預(yù)先設(shè)計的電子束掃描合金粉末，得到沉積層，其厚度與上述切片厚度相同，然后依次實現(xiàn)層層堆積，直至渦輪葉片加工完成，加工完成后，通入冷卻氣體，待葉片冷卻至80℃以下，取出并冷卻至室溫，得到待處理的渦輪葉片，其中，基板預(yù)熱的條件為：電子束掃描速度為10000mm/s，電子束流為40ma，掃描間距為0.03mm；
(4)將上述制得的待處理的渦輪葉片清洗干燥后放入石墨加熱爐中，下1100℃，壓力為8mpa處理1h后隨爐冷卻后取出；
(5)在上述處理后的渦輪葉片表面沉積一層金屬粘結(jié)層后干燥，然后采用超音速噴涂工藝在金屬粘結(jié)層表面噴涂一層熱障涂層，干燥后得到耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片；
其中，所述熱障涂層的厚度為200微米，熱障涂層的材料包括稀土鈮酸鹽，其中所述稀土鈮酸鹽化學(xué)組成為：y3nbo7；所述金屬粘結(jié)層為cocraly合金，金屬粘結(jié)層的厚度為150μm。
實施例2
一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：
(1)采用氣霧化制粉工藝，制得鎳基合金粉末，待用，其中，氣霧化制粉的工藝條件為：采用真空霧化技術(shù)，氮氣壓力為4mpa，熔液過熱度為180℃、管徑為5mm，伸出長度為11mm時采用緊耦合限制式噴嘴霧化，鎳基合金粉末的成分為al5.5％、nb8％、ti3.2％、cr3.5％，其余為ni；
(2)建立渦輪葉片的三維模型，然后沿高度方向上對其進行離散化分層，形成厚度均勻的切片，切片厚度為0.08mm，將切片文件導(dǎo)入到電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備中；
(3)在電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備內(nèi)裝入上述制得的鎳基合金粉末，并將成型基板放置于電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備的成型腔內(nèi)可升降的平臺上，對成型腔抽真空至10-2pa，并對成型基板預(yù)熱，預(yù)熱完成后在基板上平鋪一層鎳基合金粉末，然后通過預(yù)先設(shè)計的電子束掃描合金粉末，得到沉積層，其厚度與上述切片厚度相同，然后依次實現(xiàn)層層堆積，直至渦輪葉片加工完成，加工完成后，通入冷卻氣體，待葉片冷卻至80℃以下，取出并冷卻至室溫，得到待處理的渦輪葉片，其中，基板預(yù)熱的條件為：電子束掃描速度為11500mm/s，電子束流為40ma，掃描間距為0.15mm；
(4)將上述制得的待處理的渦輪葉片清洗干燥后放入石墨加熱爐中，下1200℃，壓力為12mpa處理4h后隨爐冷卻后取出；
(5)在上述處理后的渦輪葉片表面沉積一層金屬粘結(jié)層后干燥，然后采用超音速噴涂工藝在金屬粘結(jié)層表面噴涂一層熱障涂層，干燥后得到耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片；
其中，所述熱障涂層的厚度為300微米，熱障涂層的材料包括稀土鈮酸鹽，其中所述稀土鈮酸鹽化學(xué)組成為：yb3nbo7；
所述金屬粘結(jié)層為nicraly合金，金屬粘結(jié)層的厚度為300μm。
實施例3
一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：
(1)采用氣霧化制粉工藝，制得鎳基合金粉末，待用，其中，氣霧化制粉的工藝條件為：采用真空霧化技術(shù)，氮氣壓力為3.6mpa，熔液過熱度為130℃、管徑為5mm，伸出長度為11mm時采用緊耦合限制式噴嘴霧化，鎳基合金粉末的成分為al4.5％、nb6％、ti1-3.2％、cr1％，其余為ni；
(2)建立渦輪葉片的三維模型，然后沿高度方向上對其進行離散化分層，形成厚度均勻的切片，切片厚度為0.04mm，將切片文件導(dǎo)入到電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備中；
(3)在電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備內(nèi)裝入上述制得的鎳基合金粉末，并將成型基板放置于電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備的成型腔內(nèi)可升降的平臺上，對成型腔抽真空至10-2pa，并對成型基板預(yù)熱，預(yù)熱完成后在基板上平鋪一層鎳基合金粉末，然后通過預(yù)先設(shè)計的電子束掃描合金粉末，得到沉積層，其厚度與上述切片厚度相同，然后依次實現(xiàn)層層堆積，直至渦輪葉片加工完成，加工完成后，通入冷卻氣體，待葉片冷卻至80℃以下，取出并冷卻至室溫，得到待處理的渦輪葉片，其中，基板預(yù)熱的條件為：電子束掃描速度為10500mm/s，電子束流為40ma，掃描間距為0.05mm；
(4)將上述制得的待處理的渦輪葉片清洗干燥后放入石墨加熱爐中，下1120℃，壓力為9mpa處理2h后隨爐冷卻后取出；
(5)在上述處理后的渦輪葉片表面沉積一層金屬粘結(jié)層后干燥，然后采用超音速噴涂工藝在金屬粘結(jié)層表面噴涂一層熱障涂層，干燥后得到耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片；
其中，所述熱障涂層的厚度為200微米，熱障涂層的材料包括稀土鈮酸鹽，其中所述稀土鈮酸鹽化學(xué)組成為：cd3nbo7；所述金屬粘結(jié)層為fecraly合金，金屬粘結(jié)層的厚度為300μm。
實施例4
一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：
(1)采用氣霧化制粉工藝，制得鎳基合金粉末，待用，其中，氣霧化制粉的工藝條件為：采用真空霧化技術(shù)，氮氣壓力為3.57mpa，熔液過熱度為150℃、管徑為5mm，伸出長度為11mm時采用緊耦合限制式噴嘴霧化，鎳基合金粉末的成分為al5％、nb7％、ti2.5％、cr2％，其余為ni；
(2)建立渦輪葉片的三維模型，然后沿高度方向上對其進行離散化分層，形成厚度均勻的切片，切片厚度為0.06mm，將切片文件導(dǎo)入到電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備中；
(3)在電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備內(nèi)裝入上述制得的鎳基合金粉末，并將成型基板放置于電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備的成型腔內(nèi)可升降的平臺上，對成型腔抽真空至10-2pa，并對成型基板預(yù)熱，預(yù)熱完成后在基板上平鋪一層鎳基合金粉末，然后通過預(yù)先設(shè)計的電子束掃描合金粉末，得到沉積層，其厚度與上述切片厚度相同，然后依次實現(xiàn)層層堆積，直至渦輪葉片加工完成，加工完成后，通入冷卻氣體，待葉片冷卻至80℃以下，取出并冷卻至室溫，得到待處理的渦輪葉片，其中，基板預(yù)熱的條件為：電子束掃描速度為11000mm/s，電子束流為40ma，掃描間距為0.08mm；
(4)將上述制得的待處理的渦輪葉片清洗干燥后放入石墨加熱爐中，下1140℃，壓力為10mpa處理3h后隨爐冷卻后取出；
(5)在上述處理后的渦輪葉片表面沉積一層金屬粘結(jié)層后干燥，然后采用超音速噴涂工藝在金屬粘結(jié)層表面噴涂一層熱障涂層，干燥后得到耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片；
其中，所述熱障涂層的厚度為200微米，熱障涂層的材料包括稀土鈮酸鹽，其中所述稀土鈮酸鹽化學(xué)組成為(la0.7y0.3)3nbo7；
所述金屬粘結(jié)層為fecraly合金，金屬粘結(jié)層的厚度為150μm。
實施例5
一種耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片的制備方法，包括以下步驟：
(1)采用氣霧化制粉工藝，制得鎳基合金粉末，待用，其中，氣霧化制粉的工藝條件為：采用真空霧化技術(shù)，氮氣壓力為3.8mpa，熔液過熱度為160℃、管徑為5mm，伸出長度為11mm時采用緊耦合限制式噴嘴霧化，鎳基合金粉末的成分為al5％、nb7.5％、ti3％、cr3％，其余為ni；
(2)建立渦輪葉片的三維模型，然后沿高度方向上對其進行離散化分層，形成厚度均勻的切片，切片厚度為0.07mm，將切片文件導(dǎo)入到電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備中；
(3)在電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備內(nèi)裝入上述制得的鎳基合金粉末，并將成型基板放置于電子束選區(qū)金屬粉末成型設(shè)備的成型腔內(nèi)可升降的平臺上，對成型腔抽真空至10-2pa，并對成型基板預(yù)熱，預(yù)熱完成后在基板上平鋪一層鎳基合金粉末，然后通過預(yù)先設(shè)計的電子束掃描合金粉末，得到沉積層，其厚度與上述切片厚度相同，然后依次實現(xiàn)層層堆積，直至渦輪葉片加工完成，加工完成后，通入冷卻氣體，待葉片冷卻至80℃以下，取出并冷卻至室溫，得到待處理的渦輪葉片，其中，基板預(yù)熱的條件為：電子束掃描速度為11200mm/s，電子束流為40ma，掃描間距為0.12mm；
(4)將上述制得的待處理的渦輪葉片清洗干燥后放入石墨加熱爐中，下1180℃，壓力為11mpa處理3h后隨爐冷卻后取出；
(5)在上述處理后的渦輪葉片表面沉積一層金屬粘結(jié)層后干燥，然后采用超音速噴涂工藝在金屬粘結(jié)層表面噴涂一層熱障涂層，干燥后得到耐磨耐高溫鎳基合金渦輪葉片；
其中，所述熱障涂層的厚度為300微米，熱障涂層的材料包括稀土鈮酸鹽固溶體，其中所述稀土鈮酸鹽固溶體化學(xué)組成為y3(nb0.3ta0.7)o7；
所述金屬粘結(jié)層為cocraly合金，金屬粘結(jié)層的厚度為150μm。
對比例1
渦輪葉片表面的熱障涂層材料替換為ysz材料，其他制備條件和實施例5相同。
對比例2
渦輪葉片表面僅噴涂熱障涂層，沒有沉積金屬粘結(jié)層，其他制備條件和實施例5相同。
對比例3
渦輪葉片表面沒有噴涂熱障涂層，僅沉積有金屬粘結(jié)層，其他制備條件和實施例5相同。
下面對上述制得的渦輪葉片進行性能測試；
1、硬度測試
利用wilsowwolpert450svd型維氏硬度計分別對四種試樣進行硬度檢測。
測試結(jié)果顯示，實施例1-5的渦輪葉片表面硬度高達412hv，而對比例1的硬度為205hv，對比例2的硬度為322hv，對比例3的硬度為274hv。
2、涂層性能測試
抗熱震性能：熱震測試時將制備好的試樣，放入加熱爐中，加熱到1000℃溫度，保溫10min平衡后取出，投入25℃冷水中，反復(fù)20次。
測試結(jié)果顯示：實施例1-5的渦輪葉片經(jīng)過20次1000℃熱震測試后都沒有出現(xiàn)涂層剝落、起泡和開裂現(xiàn)象，說明涂層與基體的結(jié)合性能好；而對比文件1的涂層出現(xiàn)少量起泡現(xiàn)象；對比例2的涂層出現(xiàn)大量的剝落、起泡和開裂現(xiàn)象；對比例3的涂層出現(xiàn)少量的涂層開裂現(xiàn)象。
高溫拉伸力學(xué)性能：測試在德國zwick公司z100型精密萬能試驗機上進行，分別進行760℃和980℃下的測試。測試采用位移法進行，屈服前拉伸速率為3mm/s，屈服后拉伸速率為5mm/s。
測試結(jié)果：實施例1-5的渦輪葉片的抗拉強度均為1228mpa-1305mpa，對比例1的渦輪葉片的抗拉強度為961mpa，對比例2-3的抗拉強度僅為806-812mpa。
高溫循環(huán)氧化測試在高溫循環(huán)氧化裝置上進行，樣品首先在1000℃爐內(nèi)氧化60min，然后在爐外空氣自然冷卻10min為1個循環(huán)，每隔數(shù)個循環(huán)稱重一次。稱重時，剝落的氧化膜不計入總的增重量。
測試結(jié)果：經(jīng)1000℃恒溫氧化200h后，實施例1-5的渦輪葉片涂層的氧化增重僅為0.012-0.015mg/cm2，而對比例1的涂層氧化增重為3.15mg/cm2，對比例2的涂層氧化增重為3.00mg/cm2，對比例3的涂層氧化增重為3.89mg/cm2。
由上述測試結(jié)果可以看出，本發(fā)明制得的渦輪葉片具有更好的機械性能，抗氧化性能優(yōu)異，耐磨性能好，耐高溫性能佳。