專利名稱：鎳鈷鉻鋁硅鉿釔/鋁梯度涂層及雙靶濺射工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面涂層防護技術(shù)，特別是提供了一種MCrAlX類涂層技術(shù)。
高溫防護涂層有滲鋁層(第一代)、改型滲鋁層(第二代)、MCrAlX包覆型涂層(第三代)及隔熱屏障層TBC(第四代)。本發(fā)明屬MCrAlX涂層一類，其中M代表Fe、Ni、Co、Ni-Co，Co-Ni等，X代表Y，La、Ce、Hf、Si、Zr、Ta等。MCrAlX涂層成分繁多，根據(jù)具體需要而調(diào)整，不受基體成分影響，這是它的優(yōu)點之一。MCrAlX涂層的另一優(yōu)點是它的塑性比滲Al層等要好，涂層不易剝落，使用壽命長。國內(nèi)外一般都用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)及低壓等離子噴涂(LppS)技術(shù)來制備這類涂層，偶而也有用磁控濺射沉積技術(shù)的報道。但未見磁控濺射MCrAlX梯度涂層報道。
本發(fā)明的目的在于提供一種鋁濃度不斷變化的MCrAlX型梯度涂層，使抗氧化性能與抗熱腐蝕性能、塑性與脆性得到合理的統(tǒng)一，從而為航空發(fā)動機、各類燃氣輪機渦輪葉片提供一種綜合性能優(yōu)良的高溫防護涂層，也可應(yīng)用于其它高溫零部件。
本發(fā)明的構(gòu)成1.用對靶(雙靶)MCrAlX/Al磁控濺射沉積法將MCrAlX及Al同時沉積在高溫合金(渦輪葉片)上，沉積時靶功率逐漸變化，樣品不斷旋轉(zhuǎn)，從而得到Al濃度逐漸變化的厚度均勻的MCrAlX包覆梯度涂層。沉積后應(yīng)進行熱處理以增強涂/基結(jié)合力，改善涂層組織狀態(tài)。
2.雙靶化學成分(見表)(wt%)
MCrAlX靶材采用雙真空熔煉及澆注，不應(yīng)有嚴重的鑄造缺陷。Al靶用鍛材加工而成。
3.濺射裝置采用JCKD-400型對靶磁控濺射裝置，它允許樣品(葉片)進行真空高溫加熱，雙靶磁控濺射、工件旋轉(zhuǎn)等，這些參數(shù)對制備高質(zhì)量MCrAlX/Al梯度涂層是必不可少的。也可以利用其它近似的裝置。
4.磁控濺射工藝①裝爐及抽真空達到1.33～4.0×10-2Pa②高壓轟擊采用Ar(1.33～4.0Pa)，轟擊電壓600～1500V，轟擊電流0.1～1.0A③樣品加熱600～1000℃④濺射偏壓-100～400V(負偏壓)⑤激磁電流、電壓激磁電流10～20A;激磁電壓15～30V⑥濺射氣體為Ar其壓強PAr為1.33～10.67×10-1Pa⑦靶電流、電壓(或靶功率)雙靶功率隨時間的變化曲線參見示意圖⑧工件旋轉(zhuǎn)沉積時工件旋轉(zhuǎn)以保證涂層均勻
⑨擴散退火在真空或保護氣氛下進行，溫度700～1000℃，時間1～4h，擴散退火可以消除沉積時柱狀晶組織，得到均勻的再結(jié)晶(等軸晶)組織，并在涂/基界面形成互擴散層(內(nèi)層)，提高結(jié)合力。
通過以上工藝參數(shù)控制，可以制備出MCrAlX梯度材料。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.通過靶功率不斷變化的對靶磁控濺射工藝獲得MCrAlX/Al包覆型梯度涂層。根據(jù)這一思想可以制備出各種各樣的金屬梯度材料。
2.所制得的MCrAlX/Al包覆型梯度涂層在抗氧化性能與抗腐蝕性能上，和在脆性與塑性上得到了合理的統(tǒng)一。這一梯度涂層保證Al濃度由內(nèi)向外逐漸增長，外層Al高，內(nèi)層Al低(Cr高)，從而使外層具有優(yōu)良的抗氧化性能，內(nèi)層具有優(yōu)良的抗熱腐蝕性能。巧妙地解決了涂層成分設(shè)計上氧化抗力與熱蝕抗力對立的矛盾。
3.與真空滲Al層相比，本發(fā)明NiCoCrAlSiHfY/Al梯度涂層具有如下優(yōu)良的性能①梯度涂層的晶粒十分細小，因而塑性好;
②950℃/500h靜態(tài)氧化抗力比滲Al層高出1.25倍;
③優(yōu)異的抗熱腐蝕性能，如700℃/100h熔鹽腐蝕試驗結(jié)果表明，梯度涂層增重為0.52mg/cm2，而滲Al層失重達-2.25mg/cm2。同樣850℃/30h的腐蝕試驗結(jié)果也是梯度涂層遠比滲Al層優(yōu)越。
實施例子采用磁控濺射方法將NiCoCrAlSiHfY/Al梯度涂層沉積在某航空發(fā)動機一級渦輪工作葉片(GH220合金)上，涂層厚度40～50μm。濺射在JCKD-400型對靶磁控濺射裝置上進行。靶材化學成分參見上表，主要工藝參數(shù)見第1頁上本發(fā)明的構(gòu)成部分。
實施例1.裝置JCKD-400型對靶磁控濺射儀。
2.靶材NiCoCrAlSiHfY/Al，具體成分(wt%)。
①Ni20Col8Crl2、5Al0、6Si0、4Hf0、6Y合金靶。
②純Al靶。
3.基材鎳基變形高溫合金GH220(葉片)。
4.對靶磁控濺射工藝①裝爐及抽真空到2.67×10-2Pa;
②高壓轟擊PAr2.67Pa，電壓800V，電流0.5A;
③葉片加熱900～950℃/2～3h;
④濺射負偏壓-200V;
⑤激磁電流15A，激磁電壓20V;
⑥濺射氣體為Ar氣，PAr1.33×10-1Pa;
⑦靶功率隨時間變化曲線示于

圖1(圖見下頁)⑧濺射沉積時工件旋轉(zhuǎn);
⑨沉積結(jié)束后進行熱處理，溫度900～950℃，時間2～3h。
通過上述工藝參數(shù)控制，制備出一種由內(nèi)向外鋁濃度不斷變化的NiCoCrAlSiHfY梯度涂層。該涂層主要的組織及性能如下。
①組織超細晶，由β(Ni，Co)Al及γ-NiCo固溶體組成。涂層厚度約40μm，視需要可調(diào)。
②氧化性能950℃/500h增重為0.44mg/cm2，氧化膜為α-Al2O3③熱腐蝕性能鹽成分75%Na2SO4-25%NaCl，700℃/100h增重0.52mg/cm2④涂層對合金力學性能無明顯影響，均符合GH220合金技術(shù)條件要求。例如室溫瞬時拉伸σb為1106MPa;950℃高溫拉伸σb為536MPa;940℃22Kgf/mm2下持久壽命近45h;900℃17Kgf/mm2蠕變殘余變形為0.1119%;850℃107下疲勞強度為343MPa;900℃ ()/() 20℃及975℃ ()/() 20℃30次循環(huán)后的冷熱疲勞裂紋長度分別為0.155和0.32mm。上述性能指標均符合技術(shù)條件要求，且冷熱疲勞性能有明顯的改善。涂層對渦輪葉片的振動頻率特性亦無影響。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明圖1為本發(fā)明SiHfY-Al涂層濺射功率曲線橫座標為時間(以分鐘計)，縱座標為功率，單位為KW。
權(quán)利要求
一種MCrAlX涂層新工藝，其特征在于采用磁控濺射MCrAlX梯度涂層，即1、用對靶(雙靶)MCrAlX/Al磁控濺射沉積法將MCrAlX及Al同時沉積在高溫合金(渦輪葉片)上，沉積時靶功率逐漸變化，樣品不斷旋轉(zhuǎn)，從而得到Al濃度逐漸變化的厚度均勻的MCrAlX包覆梯度涂層；沉積后進行熱處理，以增強涂/基結(jié)合力，改善涂層組織狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MCrAlX涂層工藝，其特征在于，MCrAlX靶材采用真空熔煉及澆注，Al靶用鍛材加工而成，MCrAlX靶(即NiCoCrAlSiHfY靶)的成分為Co18～22%，Cr16～20%，Al10～15%，Si0.2～1.0%，Hf0.1～1.0%，Y0.1～1.0%，基體為Ni，Al靶含Al≥99.9%均為重量百分比)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的MCrAlX涂層工藝，其特征在于濺射裝置采用JCKD-400型對靶磁控濺射裝置，它允許樣品(葉片)進行真空高溫加熱，雙靶磁控濺射、工件旋轉(zhuǎn)等，也可以利用其它近似的裝置;磁控濺射工藝為裝爐及抽真空達到1.33～4.0×10-2Pa，高壓轟擊采用Ar(1.33～4.0Pa)，轟擊電壓600～1500V，轟擊電流0.1～1.0A，樣品加熱溫度為600～1000℃，濺射偏壓-100～-400V(負偏壓)，激磁電流、電壓，激磁電流10～20A;激磁電壓15～30V，濺射氣體為Ar其壓強PAr為1.33～10.67×10-1Pa，靶電流、電壓(或靶功率)雙靶功率隨時間的變化為曲線，沉積時工件旋轉(zhuǎn)以保證涂層均勻。在真空或保護氣氛下進行，擴散退火其溫度為700～1000℃，時間1～4h。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種MCrAlX涂層新工藝，其特征在于采用磁控濺射MCrAlX梯度涂層。即用雙靶MCrAlX/Al磁控濺射沉積法將MCrAlX及Al同時沉積在高溫合金上，沉積時靶功率逐漸變化，樣品不斷旋轉(zhuǎn)，從而得到Al濃度逐漸變化的厚度均勻的MCrAlX包覆梯度涂層，沉積后進行熱處理，以增強涂/基結(jié)合力。本發(fā)明的優(yōu)點在于涂層晶粒細小，靜態(tài)氧化抗力高，抗熱腐蝕性能好。
文檔編號C23C14/35GK1103676SQ9312062
公開日1995年6月14日 申請日期1993年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月7日
發(fā)明者葉銳曾, 于文秀, 陳仁治, 馬躍發(fā), 龔杰, 吳顯云, 孫金貴, 孫慶標, 宋鉑, 楊蓮隱, 曹士偉, 崔紹成, 呂反修, 許慶芳, 袁建軍 申請人:北京科技大學