專利名稱：鋁鋯釔三元共滲涂層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬材料的鍍覆領域，具體地說就是將Al、Zr、Y三種元素采用粉末包埋的技術一步性的共同滲入到基體材料的表面，以提高基材的抗高溫氧化及腐蝕性能。
在燃氣輪機發(fā)展方面，為改進燃機效率，趨向于較高的運行溫度，而工業(yè)上又趨向于使用較劣質的燃料，也就是說要求制備燃氣輪機的材料即具有優(yōu)良的力學性能，同時又需要具備良好的抗高溫氧化性能及抗熱腐蝕性能。因此，通過對基材表面涂層的設計而改進基材的表面抗高溫氧化和熱腐蝕性能，長期以來成為材料科學的重要研究方向之一。目前國內外制備涂層的工藝主要為氣相沉積、等離子噴涂、磁控濺射、熱擴散等幾種，如用噴涂法制作的McoAlY涂層具有優(yōu)良的抗熱腐蝕性能，適用于運行參數(shù)高，使用環(huán)境惡劣的燃氣輪機渦輪葉片。但前三種涂層的制備存在一定的局限性氣相沉積工藝因涂層所含元素相當不同的蒸汽壓，涂層成份唯于控制，噴涂工藝制備的涂層需花時間仔細研磨，以制備出令人滿意的涂層表面。濺射工藝則需要首先制備出與涂層成份相當?shù)慕饘侔?，也就是說工藝復雜，另外還需要專門的大型設備。因而到目前為止，應用的最廣泛最成熟的涂層還是鋁化物擴散涂層。單滲鋁涂層在實際長期使用過程中，由于高溫氧化和熱腐蝕作用，特別容易退化剝落。而某些二元共滲涂層如Cr-Al涂層往往發(fā)生剝落和開裂，抗沖蝕能力較差，Pt-Al涂層由于形成了PtAl2脆性相，熱疲勞性能差，曾經報導過[1]的Al-Y二元共滲涂層，抗氧化性能1000℃、100h時氧化增重為0.8～0.9mg/cm2，也不盡理想。
本發(fā)明的目的在于提供一種有較好的抗高溫氧化及熱腐蝕性能，長期使用不易退化，且工藝簡單易于實現(xiàn)的涂層，即Al-Zr-Y三元共滲涂層。
本發(fā)明的主要內容是采用粉末包埋法，將Al，Zr，Y三種元素一步式的共同滲入到基體材料如鎳基合金、鋼等中去，其所用的共滲劑混合物成份如下(重量百分比，以下均同)Al2O3ZrO2鋁熱劑 Y2O3復合活性劑10-5010-5020-702-201-15其中鋁熱劑為鋁粉、鐵鋁粉或其混合物，復合活性劑為YF3、NaF、NH4Cl、AlF3，K2，ZrF6之一或其混合物。制備時將基材埋入其滲劑中共750～1100℃保溫2-10h，最佳溫度范圍在800～1050℃之間。在共滲劑化合物中，Al除滲入基材表面外，還起到一定的還原作用，反應式如下
新生成的Zr和Y原子由于具有較高的活性，從而可以比較容易地滲入到基材的表面。Al2O3在共滲劑中起到填充劑的作用，主要目的是防止Al粉或FeAl粉的粘連。ZrO2及Y2O3也部分地起到填充劑的作用。在Al-Y-Zr三元共滲涂層中，鋯和釔起到激活和參雜作用，它們可以促進抗蝕元素Al，Cr和Tl的選擇擴散和擇優(yōu)氧化，在合金涂層表面形成Al，Cr和Tl的混合型腐蝕層，腐蝕層致密，與基體涂層粘附性好，在涂層和基體之間形成有一定寬度的富鉻，富鈦和富鉭的連續(xù)層，提高了合金涂層抗腐蝕和蠕變性能。另外，鋯和釔還起到晶界變性劑作用，它們均為晶界元素，在合金中固溶度微小，容易析聚晶界，改變晶界狀態(tài)，提高合金涂層的晶間強度，從而也提高了合金的抗熱腐蝕蠕變性能。實驗表明，1000℃高溫氧化時，Al-Zr-Y共滲涂層100h平均氧化增重僅為0.2～0.3mg/cm2，在溫度為850℃，熔鹽成份90%Na2So4+10% K2So4熱腐蝕條件下，Al-Zr-Y共滲涂層經200小時熱腐蝕，涂層表面無明顯腐蝕跡相。由于本發(fā)明使用的是熱擴散型涂層工藝，因而工藝簡單、設備簡單易于實現(xiàn)。下面詳述實施例。
實施例11、共滲劑混合物料成份30% Al2O3，25% ZrO2，5% Y2O3，33% Al 7%復合活性劑(NaF，K2ZrF6，YF3)2、工藝規(guī)范溫度900℃，時間6h。
3、滲層厚度鎳基鑄造合金M38G為基體，滲層厚度為40μm。
4、性能高溫腐蝕與蠕變性能，實驗溫度850℃，應力360MPa。涂層性能見表1。
表1高溫蠕變壽命和蠕變速度合金環(huán)境蠕變斷裂蠕變速度M38G (h) δ% h-1Al-Zr-Y 空氣 250 8.7 1.13×10-4涂鹽膜 214 7.8 1.04×10-4單滲Al 涂鹽膜 170 6.2 1.25×10-4M38G 空氣 263 9.8×10-5涂鹽膜7
實施例21、共滲劑混合物料成份50% FeAl，12% Al2O3，10% ZrO2，10% Al，5% Y2O313%復合活性劑。(NaF，K2ZrF6，YF3)2、工藝規(guī)范溫度850℃時間6h3、滲層厚度鎳基合金K403為基體，滲層厚度35μm左右。
4、性能1000℃100小時氧化增重0.25mg/cm2，氧化速率0.025mg/m2·h。
實施例31、共滲劑混合物料成分55% FeAl，15% Al2O3，10% ZrO2，10% Al，5% Y2O3，5%復合活性劑(NaF，K2ZrF6，YF3，NH4Cl)。
2、工藝規(guī)范溫度900℃時間6h3、滲層厚度20＃鋼為基體，滲層厚度100μm左右。
4、性能900℃100小時氧化增重0.12mg/cm2，氧化速率0.012g/m2·h。
參考文獻(1)王福會樓輸-白林祥《金屬學報》Vo1，26，No.2(1990)
權利要求
1.一種熱擴散型涂層，其特征在于該涂層是采用粉末包埋法，將Al，Zr，Y三種元素一步式的共同滲入到基體材料如鎳基合金，鋼等中去而形成的。
2.按權利要求1所述涂層，其特征在于所用的共滲劑混合物成份如下Al2O3ZrO2鋁熱劑 Y2O3復合活性劑10-50 10-50 20-70 2-20 1-15其中鋁熱劑為鋁粉，鐵鋁粉或其混合物。復合活性劑為YF3、NaF、NH4Cl，AlF3，K2ZrF6之一或其混合物。
3.按權利要求2所述涂層，其特征在于，所需的化學熱處理過程為將基材埋入共滲劑中，750～1100℃保溫2～10h。
4.按權利要求3所述涂層，其特征在于最佳熱處理溫度，應在800～1050℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬材料的鍍覆領域，即提供了一種能提高基材的抗高溫氧化及腐蝕性能的三元共滲涂層。其主要內容為將Al、Zr、Y三種元素一步式的共同滲入到基體材料中去，共滲劑成分如下Al10—50 10—50 20—70 2—20 1—15本涂層具有優(yōu)良的抗高溫氧化及熱腐蝕性能，且工藝簡單，所用設備亦簡單。
文檔編號C23C10/52GK1076733SQ9210610
公開日1993年9月29日 申請日期1992年3月25日 優(yōu)先權日1992年3月25日
發(fā)明者段學章, 王衛(wèi)林, 張亞明 申請人:中國科學院金屬腐蝕與防護研究所