具有Ni-Zr擴散障礙層的Zr摻雜Ni-Al粘結層材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于熱障涂層技術領域，涉及一種具有N1-Zr擴散障礙層的Zr摻雜鎳鋁粘結層材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]摻雜Pt的β-NiAl和γ/γ’涂層作為熱障涂層的粘結層在民用及軍用領域得到了廣泛的應用，例如用于航空與火箭發(fā)動機、船艦發(fā)動機的葉片等鎳基合金高溫部件上。然而，在葉片的服役過程中，摻雜Pt的β-NiAl粘結層會產生褶皺、蠕變現象，使得在氧化層與粘結層的界面處產生裂紋，裂紋的擴展與合并會進一步導致涂層的脫落失效;摻雜Pt的γ/γ ’雖然不會產生褶皺、蠕變現象，但其含鋁量低，在氧化過程中會產生尖晶石等脆性相，不僅加快了氧化層的生長速率，同時也降低了界面強度。此外，Pt高昂的成本也限制了其應用。因此，國內外研究者們試圖開發(fā)一種新的粘結層，在降低成本的同時又能使其性能不低于現有的Pt摻雜的粘結層。
[0003]研究發(fā)現，一些活性元素有望取代Pt摻雜于熱障涂層的粘結層中。包含活性元素的鎳鋁粘結層的制備方法一般有包埋滲法、化學氣相沉積法、磁控濺射法及電子束物理氣相沉積法等。其中，化學氣相沉積法、磁控濺射法及電子束物理氣相沉積法需要使用專用的設備，并且這些設備價格昂貴。相比之下，包埋滲法成本低，操作簡單，可進行大批量工業(yè)化生產，因而被廣泛接受。但是，由于包埋滲法是通過擴散形成涂層，所以基體中的合金元素在涂層制備過程中會擴散到涂層中，這些合金元素的存在會干擾對活性元素影響機理的研究。此外，活性元素的溶解限度都很小(一般在0.05at.%), 一方面使得活性元素在粘結層中的含量和分布很難控制，另一方面當活性元素含量超過溶解限度后，會產生大量的內部氧化，對涂層的性能產生不利影響。
[0004]申請公布號為CN101914774 A的中國發(fā)明專利公開了一種具有Re-N1-Cr合金擴散障礙層的粘結層材料及其制備方法。Re-N1-Cr合金擴散障礙層涂鍍于基體材料上，基體材料為N1、A1、T1、Fe或Nb基合金材料，Re-Cr-Ni合金擴散障礙層中各元素的質量百分比組成為20-65 %的Re、30-50 %的Cr及5_30 %的Ni。其制備方法即通過電鍍的方法在基體高溫超合金上形成Re-Cr-Ni合金擴散障礙層的材料。上述專利公布的技術方案中，具有Re-N1-Cr合金擴散障礙層的粘結層材料表面鍍層光滑，分布均勻，在高溫情況下能夠保持穩(wěn)定，可阻止基體中合金元素向外擴散、空氣中的氧向合金基體內部擴散。然而，該粘結層材料成分復雜，且Re為稀有金屬，在地殼中的含量極少，另外，該粘結層材料的制備過程較為繁瑣，不利于進一步工業(yè)化生產。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能有效控制Zr在粘結層中的含量及分布且制備簡單的具有N1-Zr擴散障礙層的Zr摻雜鎳鋁粘結層材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0007]具有N1-Zr擴散障礙層的Zr摻雜N1-Al粘結層材料的制備方法，該方法具體包括以下步驟:
[0008](I)表面處理:
[0009](1-1)通過電火花線切割將鎳基合金切割成長度為25-35mm、寬度為15-25mm、高度為2-4mm的鎳基合金金屬片；
[0010](1-2)通過電火花線切割將純度2 99%鎳板切割成長度為25-35mm、寬度為15-25mm、高度為2-4mm的鎳板金屬片；
[0011 ] (1-3)清洗鎳基合金金屬片、鎳板金屬片，打磨除銹，再清洗除去油污；
[0012](1-4)在室溫下采用酸性溶液對鎳基合金金屬片進行電解陽極活化處理，隨后用流動清水清洗，再于去離子水中超聲清洗，吹干待用；
[0013](2)配制電鍍溶液；
[0014](3)涂鍍 N1-Zr 鍍層:
[0015]以鎳板金屬片為陽極，鎳基合金金屬片為陰極，將鎳板金屬片、鎳基合金金屬片置于步驟(2)的電鍍溶液中，于50-60°C下，邊攪拌邊進行電鍍，電鍍的時間依據所需N1-Zr鍍層的厚度而定，待電鍍結束后，清洗，吹干待用，制得涂鍍有N1-Zr鍍層的鎳基合金；
[0016](4)包埋滲鋁:
[0017](4-1)將單質金屬Al粉與銨鹽粉末一起研磨，混合均勻，制得混合粉末，再將混合粉末置于坩禍中；
[0018](4-2)將步驟(3)得的涂鍍有N1-Zr鍍層的鎳基合金包埋入混合粉末中，將坩禍置于管式爐中，加熱至550-650°C，恒溫處理10-12h，隨后冷卻至室溫，取出樣品，經超聲清洗后，干燥，即制得所述的具有N1-Zr擴散障礙層的Zr摻雜N1-Al粘結層材料。
[0019]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(1-1)中，通過電火花線切割將鎳基合金切割成長度為25mm、寬度為20mm、高度為4mm的鎳基合金金屬片。
[0020]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(1-2)中，通過電火花線切割將純度為99.99%的鎳板切割成長度為30mm、寬度為20mm、高度為2mm的鎳板金屬片。
[0021]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(1-3)所述的打磨的處理條件為:采用從240號到600號的氧化鋁砂紙對鎳基合金金屬片、鎳板金屬片的表面進行打磨。
[0022]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(1-3)所述的清洗的條件為:采用酒精或丙酮進行清洗。
[0023]步驟(1-4)中所述的電解陽極活化處理的條件為:控制溫度為25-30°C，電流密度為 100-200mA/cm2，處理時間為 l_5min。
[0024]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(1-4)所述的酸性溶液為鹽酸溶液，該鹽酸溶液為10-15vol%的鹽酸和20-30g/L六水氯化鎳的混合溶液。
[0025]步驟(2)所述的配制電鍍溶液的方法具體包括以下步驟:
[0026](2-1)將鎳鹽及酸性電解質溶解于50_70°C的去離子水中，制得混合溶液；
[0027](2-2)將陰離子表面活性劑溶解于煮沸的去離子水中，然后加入到混合溶液中，并采用堿性溶液調節(jié)pH值為4-4.5 ；
[0028](2-3)再加入金屬Zr粉，充分攪拌，使金屬Zr粉在混合溶液中均勻分散，即制得所述的電鍍溶液。
[0029 ]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(2-1)所述的鎳鹽為六水硫酸鎳及六水氯化鎳，所述的酸性電解質為硼酸，并且所述的六水硫酸鎳、六水氯化鎳及硼酸在混合溶液中的質量濃度分別為 100 ?300g/L、10 ?30g/L、20 ?40g/L。
[0030]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(2-2)所述的陰離子表面活性劑在混溶溶液中的質量濃度為0.2-lg/L，并且所述的陰離子表面活性劑為十二烷基硫酸鈉。
[0031]在實際電鍍過程中，鍍液中少量的H+在陰極得到電子，以氫氣的形式析出。盡管所產生的氫氣大部分以氣體的形式從鍍液中逸出，但仍有少量氫氣泡吸附在陰極表面，從而在氫氣泡滯留的位置產生鍍鎳層的針孔。十二烷基硫酸鈉作為潤濕劑(也叫作針孔防止劑)，加入這種潤濕劑后，增加了鍍液對零件表面潤濕作用，從而使得氣泡難以滯留在陰極表面，從而減少和消除了針孔，提高了鍍層的致密性。
[0032]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(2-2)所述的堿性溶液為質量分數為5%的NaOH溶液。
[0033]作為優(yōu)選的技術方案，步驟(2-3)所述的金屬Zr粉在混合溶液中的質量濃度為
0.1 -1 g/L，并且所述的金屬Zr粉的粒徑為1-3μηι。
[0034]當Zr在涂層或合金中的含量在其溶解限度附近，S卩0.05-0.1at.%時，其氧化性能最好。Zr的含量過高或過低都不利于氧化性能的提高。為此，本發(fā)明逐漸改變Zr粉的質量濃度，進而改變實際涂層中的Zr含量，目的是制備出具有最佳的氧化性能的含Zr的涂層。根據復合電鍍的反應機理，金屬Zr粉作為固體微粒分散在Ni的電鍍液中，隨著電鍍過程的進行與Ni基質金屬共沉積形成N1-Zr復合涂層。當Zr粉的質量濃度過小時，涂層中Zr的含量相對變小，類似于本發(fā)明中的0.lg/L Zr粉加入時的情況，一方面使得Zr在涂層中的分布不均勻，只在涂層的局部位置存在Zr，另一方面如此少的Zr含量并不能發(fā)揮好的氧化性能;隨著Zr的質量濃度的增大，涂層中的Zr的含量逐漸增大，Zr在整個涂層中的分布逐漸變得均勻，類似于本發(fā)明中的0.5-0.7g/L Zr粉加入時的情況。當分散在電鍍液中的固體微粒的質量濃度增大到一定濃度時，即使繼續(xù)增大固體微粒的質量濃度也不會使涂層中的固體微粒的含量增加。本發(fā)明中的0.5-0.7g/L Zr粉的質量濃度已經使Zr在整個涂層中均勻分布，如果Zr粉的質量濃度過大時，一方面是浪費材料，從氧化性能的方面考慮，過量的Zr含量會導致涂層在高溫氧化過程中產生大量的內部氧化，不利于氧化性能的提高。
[0035]在復合電鍍中，通常采用粒徑相當小的微粒，金屬Zr粉的粒徑的選擇主要從Zr的化學性質和成本考慮。金屬Zr粉作為活性元素，對氧的親和力很強，其表面極易形成氧化膜。如果金屬Zr粉的粒徑過小，例如納米量級的，首先生產的成本高，并且粒徑過小，表面積增大，在使用或保存