活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種活性元素Sc改性的(Ni,Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料及其制備方法，屬于熱障涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。采用電鍍和電子束物理氣相沉積的方法在鎳基高溫合金上制備Sc改性(Ni,Pt)Al涂層，本發(fā)明提供的粘結(jié)層材料能夠在超過1150℃的環(huán)境下長時間應(yīng)用。與未改性NiAl相比，摻雜Sc之后，(Ni,Pt)Al的氧化速率明顯降低，氧化膜的粘附性提高，剝落情況得到抑制，氧化膜/NiAl界面變得平直，界面孔洞被消除，具備良好的抗高溫氧化性能，可以用作抗高溫?zé)嵴贤繉诱辰Y(jié)層材料；本發(fā)明分別采用電鍍方法制備Pt層、電子束物理氣相沉積制備Sc改性NiAl涂層，通過調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)可以達(dá)到精確控制涂層厚度、化學(xué)成分的目的，彌補(bǔ)了包埋滲方法制備(Ni,Pt)Al涂層的不足。
【專利說明】活性元素Sc改性的(Ni, Pt) AI抗高溫氧化粘結(jié)層材料及其
制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可以用作熱障涂層中粘結(jié)層的材料，具體是指能夠應(yīng)用于1200°C高溫環(huán)境中的，利用活性元素Sc (鈧)改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層(Thermal barrier coatings, TBCs)是應(yīng)用在高性能航空發(fā)動機(jī)上的關(guān)鍵技術(shù)，一般由Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2隔熱陶瓷頂層和MCrAH (M為Ni，Co或Ni+Co)抗氧化粘結(jié)層組成。近年來，隨著航空發(fā)動機(jī)向高流量比、高推重比方向的不斷發(fā)展，推重比為10的航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計進(jìn)口溫度超過了 1600°C，而推重比為15以上的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計進(jìn)口溫度將超過1700°C。這就要求導(dǎo)向葉片和渦輪葉片在1500~1600°C下長期工作。即使采用氣膜冷卻技術(shù)和效果優(yōu)異的陶瓷頂層隔熱，熱障涂層中的粘結(jié)層也必須具備在1200°C以上長期穩(wěn)定工作的能力。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)，熱障涂層的失效通常是由于熱生長氧化物層(TGO)或其附近開裂所造成涂層剝落引起的，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的熱障涂層體系只能在低于1150°C的環(huán)境中使用。因?yàn)樵诟邷囟拳h(huán)境下MCrAH粘結(jié)層將會生成較厚的氧化膜和隨之而來的氧化膜局部剝落，最終導(dǎo)致熱障涂層的失效。因而，開發(fā)能夠在1200°C以上使用的粘結(jié)層材料成為了國內(nèi)外科學(xué)家們研究的重點(diǎn)課題。
[0004]NiAl中金屬鍵和共價鍵共存的特性使其熔點(diǎn)超過了 1600°C，具備成為超高溫涂層的先決條件。高溫條件下， NiAl能夠形成具有低生長速率的單一完整的a -Al2O3氧化膜，并且由于其Al含量高，所生成的保護(hù)性氧化膜具有“自我修復(fù)”的能力。然而，NiAl涂層表面的氧化膜粘附性較差，在高溫循環(huán)氧化環(huán)境下極易剝落，與NiAl涂層相連的隔熱陶瓷頂層也隨之剝落，最終導(dǎo)致涂層的失效。造成NiAl表面氧化膜粘附性不佳的主要原因包括:氧化膜和涂層界面孔洞的形成和長大，以及氧化膜的嚴(yán)重皺曲。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是改善NiAl表面氧化膜的粘附力，同時消除NiAl/氧化膜界面的孔洞。為此，本發(fā)明提供了一種采用電鍍和電子束物理氣相沉積方法制備的活性元素鈧改性的鎳鉬鋁抗高溫氧化粘結(jié)層材料。本發(fā)明的目的之一是采用電弧熔煉的方法制備成分為原子比1:1的NiAl中摻雜原子百分比僅為0.05%~0.3%的活性元素Sc粘結(jié)層材料。所用單質(zhì)原料純度為質(zhì)量百分比99.99%。Sc在NiAl晶界和晶粒內(nèi)不均勻析出。Sc改性NiAl粘結(jié)層材料在1200°C循環(huán)氧化100小時之后平均氧化增重為0.98~2.31mg/cm2，而純NiAl的氧化增重達(dá)到了 4.09mg/cm2 ；NiAl-Sc的質(zhì)量變化(即不包括剝落的氧化膜的質(zhì)量)為
0.93~1.40mg/cm2,而NiAl的質(zhì)量變化為一 2.91mg/cm2。NiAl表面的氧化膜厚度不均勻，發(fā)生了嚴(yán)重剝落，且在剝落處存在大量孔洞，氧化膜/NiAl界面不平直；而Sc改性的NiAl表面氧化膜厚度均一，不存在界面孔洞，且氧化膜/NiAl界面平直。[0006]本發(fā)明的另一目的是提出一種采用電鍍和電子束物理氣相沉積制備Sc改性(Ni，Pt) Al涂層的方法。這種制備方法首先采用電鍍工藝在基體上制備一層Pt，然后采用電子束物理氣相沉積的方法在Pt層上沉積Sc改性NiAl涂層，經(jīng)過熱處理即可制得界面結(jié)合緊密的Sc改性(Ni，Pt) Al涂層。該涂層中的Pt能夠在活性元素Sc的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善NiAl涂層的抗高溫氧化性能,提高氧化膜的抗剝落能力。制備這種新型涂層的具體步驟如下:
[0007]第一步，采用電鍍方法制備Pt層；
[0008](A)基體預(yù)處理:采用液體噴砂機(jī)、200目石英砂對鎳基高溫合金基體表面進(jìn)行噴砂處理，再將噴砂處理后的基體放入60°C由NaOH、Na2CO3^ Na3PO4和去離子水組成的堿性清洗液(1L除油劑中含30gNa0H、130g Na2CO3^30g Na3PO4)中超聲清洗5分鐘，隨后用去離子水沖洗兩次。沖洗后的基體放入活化液(IL活化液含有100mL36wt.%鹽酸，其余為水)中活化60秒。
[0009](B)預(yù)鍍Ni層:為了提高電鍍Pt層與基體之間的結(jié)合力，將活化后基體水洗兩次，在預(yù)鍍液中預(yù)鍍2min。預(yù)鍍?nèi)芤簽闆_擊鍍鎳溶液，由氯化鎳和鹽酸組成。配方為IL預(yù)鍍?nèi)芤褐泻然?00g，鹽酸120mL，其余為水。
[0010](C)電鍍Pt層:將經(jīng)過步驟⑶處理的基體放入鍍Pt液中進(jìn)行電沉積，獲得Pt層。工藝參數(shù)為:鍍鉬液溫度80°c，電流密度0.5A/dm2，pH值10.5。陽極為鉬鈦網(wǎng)，陰極為基體，陽極:陰極表面積比~2。所述鍍Pt液成分為:二亞硝基二胺合鉬10g/L，氫氧化鈉20g/L，桂皮酸lg/L，濃氨水15ml/L，四氟硼酸鉀250g/L。電鍍時間90min，Pt層厚度約10 μ m0
[0011]第二步，采用電子束物理氣相沉積方法制備Sc改性NiAl涂層；
[0012](A)將粘結(jié)層料棒置于電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，并將經(jīng)過第一步處理后的鍍Pt鎳基高溫合金基體以NiCr絲固定于夾具上；真空室的真空度降至I X 10_2~5X 10_5Pa，夾具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為10~20rpm ;采用電子束加熱高溫合金基體至600~900°C，電子束電壓17~19kV ；
[0013](B)沉積粘結(jié)層:電流1.2~2.0A,料棒上升速率0.8~1.0mm/min,沉積速率
1.5 ~2.0 μ m/min,沉積時間 0.5 ~Ih。
[0014]第三步，將經(jīng)過第二步處理的鎳基高溫合金基體放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理。熱處理溫度為1000~1100°C，時間2~6h，真空度小于2X10_2Pa，即可得到界面結(jié)合緊密的Sc改性(Ni，Pt) Al粘結(jié)層。
[0015]本發(fā)明活性元素Sc改性(Ni，Pt) Al粘結(jié)層材料及其制備工藝的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016](I)本發(fā)明提供的粘結(jié)層材料能夠在超過1150°C的環(huán)境下長時間應(yīng)用。與未改性NiAl相比，摻雜Sc之后，(Ni, Pt)Al的氧化速率明顯降低，氧化膜的粘附性提高，剝落情況得到抑制，氧化膜/NiAl界面變得平直，界面孔洞被消除，具備良好的抗高溫氧化性能，可以用作抗高溫?zé)嵴贤繉诱辰Y(jié)層材料。
[0017](2)本發(fā)明分別采用電鍍方法制備Pt層、電子束物理氣相沉積制備Sc改性NiAl涂層，通過調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)可以達(dá)到精確控制涂層厚度、化學(xué)成分的目的，彌補(bǔ)了包埋滲方法制備(Ni，Pt) Al涂層的不足。【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1 是 1200°C循環(huán)氧化 IOOh NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc 及 NiAl-0.3Sc 的
氧化增重曲線；
[0019]圖2 是 1200°C循環(huán)氧化 IOOh NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc 及 NiAl-0.3Sc 的
質(zhì)量變化曲線；
[0020]圖3A ~3D 是 1200 °C 循環(huán)氧化 IOOh 后 NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc 及NiAl-0.3Sc的表面形貌；
[0021]圖4A ~4D 是 1200 °C 循環(huán)氧化 IOOh 后 NiAl、NiAl-0.05Sc、NiAl-0.1Sc 及NiAl-0.3Sc的截面形貌；
[0022]圖5是采用電鍍和電子束物理氣相沉積制備的Sc改性(Ni，Pt) Al涂層的截面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024]本發(fā)明利用活性元素Sc改性(Ni，Pt)Al粘結(jié)層材料，目標(biāo)是解決NiAl氧化膜粘附性差、氧化膜不平直以及界面存在大量孔洞等問題，避免氧化膜的過早剝落，使其成為能夠在1150°C以上溫度長期使用的粘結(jié)層材料。測試結(jié)果表明，微量活性元素Sc能夠明顯降低氧化膜的氧化速率，提高氧化膜的粘附性，并且消除了界面孔洞，顯著改善了 NiAl的抗高溫循環(huán)氧化性能。
[0025]本發(fā)明所述高溫合金基體可以是鎳基高溫合金K3，鎳基單晶高溫合金DD3、DD6，或定向凝固高溫合金DZ125。
[0026]本發(fā)明中制備NiAl粘結(jié)層材料所用的單質(zhì)原料純度均為質(zhì)量百分比99.99%，Ni和Al的原子比為1:1,活性兀素Sc的摻雜量為0.05%~0.3%原子百分比。本發(fā)明中粘結(jié)層材料的具體成分有NiAlSca^NiAlScc^NiAlSc。^
[0027]制備本發(fā)明中Sc改性NiAl粘結(jié)層材料的方法為:按照成分配比稱量事先清洗烘干的N1、Al以及Sc原料單質(zhì)，將量取好的原料置于真空電弧爐內(nèi)的銅坩堝中。電弧熔煉時爐內(nèi)真空度為I X 10_3~5X 10_5Pa，電流為700~1000A，每個鑄錠翻煉4次。為保證活性元素Sc在NiAl中的均勻分布，對鑄錠進(jìn)行真空均勻化退火處理:1300°C熱處理24h，真空度為 9.2 X IO^3Pa0
[0028]將熱處理之后的NiAlSc鑄錠用線切割的方法加工為10X8X3mm3的矩形試樣，并對該尺寸的活性元素Sc改性的NiAl粘結(jié)層材料進(jìn)行各項(xiàng)性能測試，包括:
[0029]抗循環(huán)氧化性能測試:分別用400#、600#、800#SiC砂紙將切割好的Sc改性NiAl粘結(jié)層材料試樣打磨光滑，然后依次在丙酮和無水乙醇中超聲清洗各15min并烘干。用游標(biāo)卡尺量取清洗好的試樣的尺寸，計算并記錄其表面積。用精確到0.01mg的電子天平稱量試樣的初始重量。將試樣用Pt絲懸掛在事先清洗、焙燒過的氧化鋁小坩堝中，再稱量試樣、Pt絲和坩堝的總重。將固定好試樣的小坩堝放入管式電阻爐的均溫區(qū)。循環(huán)周期為lh，包括1200°C空氣中氧化50min和爐外空冷lOmin。待試樣冷卻至室溫之后，記錄試樣的平均氧化增重(同一成分5個樣品)，即試樣、Pt絲和坩堝總的質(zhì)量變化；同時記錄試樣的平均質(zhì)量變化(同一成分5個樣品)，即扣除剝落的氧化膜的質(zhì)量。在1200°C循環(huán)氧化IOOh之后，NiAl的氧化增重達(dá)到了 4.09mg/cm2,而微量摻雜Sc使氧化增重降低到0.98~2.3lmg/cm2,見圖1。未改性的NiAl在循環(huán)氧化20h后質(zhì)量變化便降低為負(fù)數(shù)，即出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落。而Sc改性的NiAl在100次熱循環(huán)后仍未失效，質(zhì)量變化為0.93~1.40mg/cm2，見圖2。
[0030]表面氧化膜形貌觀察:用掃描電鏡觀察在1200°C循環(huán)氧化IOOh后試樣的表面二次電子圖像，發(fā)現(xiàn)未改性NiAl表面出現(xiàn)了大塊的氧化膜剝落，并且在剝落處存在大量界面孔洞；而Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密、粘附性好，只存在小塊的剝落，沒有觀察到NiAl/氧化膜界面孔洞的存在，結(jié)果如圖3A~3D。
[0031]截面氧化膜形貌觀察:將循環(huán)氧化測試后的試樣用樹脂鑲嵌起來，磨平拋光后用掃描電鏡觀察試樣的截面背散射圖像，見圖4A~4D。NiAl表面的氧化膜厚度不均勻，剝落情況十分嚴(yán)重，氧化膜與NiAl界面皺曲。摻雜Sc之后，表面氧化膜變得平直，厚度均勻，沒有出現(xiàn)明顯的剝落。
[0032]采用電鍍和電子束物理氣相沉積方法在高溫合金基體上制備Sc改性(Ni，Pt) Al粘結(jié)層，具體方法為:
[0033]第一步，采用電鍍方法制備Pt層；
[0034](A)基體預(yù)處理:在液體噴砂機(jī)中用200目石英砂對基體表面進(jìn)行噴砂處理。噴砂處理后,將基體放入60°C的配方為30g Na0H、130g Na2CO3^30g Na3PO4和去離子水組成的IL堿性清洗液中超聲清洗5分鐘，隨后用去離子水沖洗兩次。沖洗后的基體放入活化液(1L活化液含有100mL36wt.%鹽酸)中活化60秒。
[0035](B)預(yù)鍍Ni層:將經(jīng) 過第一步(A)處理的基體水洗兩次，在預(yù)鍍液中預(yù)鍍2min。所述預(yù)鍍?nèi)芤河陕然嚭望}酸組成，用量為IL預(yù)鍍?nèi)芤褐泻然?00g，鹽酸120mL。
[0036](C)電鍍Pt層:將經(jīng)過第一步⑶處理的基體放入鍍Pt液中進(jìn)行電沉積，獲得Pt層。工藝參數(shù)為:鍍鉬液溫度80°C，電流密度0.5A/dm2，pH值10.5。陽極為鉬鈦網(wǎng)，陰極為基體，陽極:陰極表面積比~2。所述鍍Pt液成分為:二亞硝基二胺合鉬10g/L，氫氧化鈉20g/L，桂皮酸lg/L，濃氨水15ml/L，四氟硼酸鉀250g/L。電鍍時間90min，Pt層厚度約10 μ m0
[0037]第二步，采用電子束物理氣相沉積方法制備Sc改性NiAl涂層；
[0038](A)將粘結(jié)層料棒置于電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，并將經(jīng)過第一步處理后的鍍Pt鎳基高溫合金基體以NiCr絲固定于夾具上；真空室的真空度降至I X 10_2~5X 10_5Pa，夾具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為10~20rpm ;采用電子束加熱高溫合金基體至600~900°C，電子束電壓17~19kV ；
[0039](B)沉積粘結(jié)層:電流1.2~2.0A,料棒上升速率0.8~1.0mm/min,沉積速率
1.5 ~2.0 μ m/min,沉積時間 0.5 ~Ih。
[0040]第三步，將經(jīng)過第一步和第二步處理的鎳基高溫合金基體放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理。熱處理溫度為1000~11001:，時間2~611，真空度小于2\10_牛&，即可制得界面結(jié)合緊密的Sc改性(Ni，Pt) Al粘結(jié)層。
[0041]對本發(fā)明的涂層材料進(jìn)行循環(huán)壽命測試:采用自動高低溫循環(huán)設(shè)備對分別沉積有Sc改性(Ni，Pt) Al與未改性NiAl熱障涂層的高溫合金試樣進(jìn)行循環(huán)壽命測試，循環(huán)周期lh，包括1200°C空氣中加熱50min，爐外空冷lOmin。當(dāng)涂層表面的剝落面積達(dá)到樣品表面積的20%時，即確定為涂層失效。結(jié)果表明，循環(huán)氧化15h左右，未改性NiAl涂層開始失效，而Sc改性(Ni，Pt) Al涂層在循環(huán)氧化150~250h才開始失效。
[0042]實(shí)施例1:0.05at.%Sc改性NiAl及其改性(Ni，Pt) Al涂層
[0043]按照名義成分為Ni49.975Al49.975ScaΜ進(jìn)行配料，其原材料鎳、鋁和鈧的純度為質(zhì)量百分比99.99%ο
[0044]采用真空電弧熔煉Ni49.975Al49.975SC(1.Q5鑄錠，真空度為I X10_3Pa，電流為700A，鑄錠翻煉4次以確保熔煉均勻。對鑄錠進(jìn)行真空均勻化退火處理:1300°C熱處理24h，真空度為 9.2 X IO^3Pa0
[0045]將鑄錠以線切割的方法切出10X8X3mm3的矩形小片，用砂紙打磨光滑，然后依次在丙酮和無水乙醇中超聲清洗15分鐘并烘干。記錄試樣表面積及初始重量。在1200°C循環(huán)氧化IOOh后，NiAl-0.05Sc平均氧化增重為0.98mg/cm2,僅為NiAl合金氧化增重的24%(參見圖1所示)；NiAl-0.05Sc質(zhì)量變化為0.93mg/cm2 (參見圖2所示)，與氧化增重數(shù)值
0.98mg/cm2相比僅減小了 0.05mg/cm2，說明Sc有效提高了 NiAl表面氧化膜的抗剝落能力。
[0046]用掃描電鏡觀察氧化膜表面形貌，發(fā)現(xiàn)0.05at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密，出現(xiàn)極少量的小塊剝落，沒有觀察到界面孔洞的存在，結(jié)果如圖3 (b)。
[0047]用掃描電鏡觀察氧化膜截面形貌，發(fā)現(xiàn)0.05at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整而厚度均勻，沒有發(fā)生明顯的剝落和皺曲，結(jié)果如圖4(b)。
[0048]采用電鍍和電子束物理氣相沉積的方法在鎳基高溫合金基體上制備0.05at.%Sc改性(Ni，Pt) Al涂層的工藝為:
[0049](A)電鍍Pt層:對基體進(jìn)行噴砂處理后，放入60°C的堿性清洗液中超聲清洗5分鐘，隨后用去離子水沖洗兩次。沖洗后的基體放入活化液中活化60秒?；w水洗兩次，在預(yù)鍍液中預(yù)鍍2min。隨后將基體放入鍍Pt液中進(jìn)行電沉積，沉積時間90min，得到的Pt層厚度約10 μ m。
[0050](B)將Ni49.975Al49.975Sca%鑄錠線切割為棒材，并將棒材置于電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，將經(jīng)過(A)處理的鎳基高溫合金基體固定于夾具上；真空室的真空度降至5X10_4Pa，夾具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為IOrpm ;采用電子束加熱高溫合金基體至600°C，電子束電壓17kV ；
[0051](C)沉積粘結(jié)層:電流1.5A,料棒上升速率0.6mm/min,沉積速率1.5 μ m/min,沉積時間Ih ;沉積完成后取出樣品并放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，溫度1000°C，時間4h，真空度小于2X 10_2Pa。制得的涂層結(jié)構(gòu)如圖5所示。
[0052]采用自動高低溫循環(huán)設(shè)備對制得的0.05at.%Sc改性(Ni，Pt) Al涂層進(jìn)行循環(huán)壽命測試，循環(huán)周期lh，包括1200°C空氣中加熱50min，爐外空冷lOmin，記錄試樣的循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明沉積該成分涂層的鎳基高溫合金在循環(huán)氧化168~214h開始失效。
[0053]實(shí)施例2:0.lat.%Sc改性NiAl及其改性(Ni，Pt) Al涂層
[0054]按照名義成分為Ni49.95Al49.95Sca I進(jìn)行配料，其原材料鎳、鋁和鈧的純度為99.99%。
[0055]采用真空電弧熔煉Ni49.95Al49.95Sca`i鑄錠，真空度為5X 10_4Pa，電流為850A，鑄錠翻煉4次以確保熔煉均勻。對鑄錠進(jìn)行真空均勻化退火處理:1300°C熱處理24h，真空度為
9.2 X IO^3Pa0
[0056]將鑄錠以線切割的方法切出10X8X3mm3的矩形小片，用砂紙打磨光滑，然后依次在丙酮和無水乙醇中超聲清洗15分鐘并烘干。記錄試樣表面積及初始重量。在1200°C循環(huán)氧化IOOh后，NiAl-0.1Sc平均氧化增重為1.24mg/cm2,僅為NiAl合金氧化增重的30%(參見圖1所示)；NiAl-0.1Sc質(zhì)量變化為1.02mg/cm2 (參見圖2所示),與氧化增重數(shù)值減少了 0.21mg/cm2，說明NiAl-0.1Sc表面氧化膜也發(fā)生了一定程度的剝落。
[0057]用掃描電鏡觀察氧化膜表面形貌，發(fā)現(xiàn)0.lat.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密，存在少量的小塊剝落，沒有觀察到NiAl/氧化膜界面孔洞的存在，結(jié)果如圖3(c)。
[0058]用掃描電鏡觀察氧化膜截面形貌，發(fā)現(xiàn)0.lat.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整，存在厚度不一致的現(xiàn)象，但依然沒有發(fā)生明顯的剝落和皺曲，結(jié)果如圖4(c)。
[0059]采用電子束物理氣相沉積的方法在高溫合金基體上制備0.lat.%Sc改性(Ni，Pt)Al涂層的工藝方法為:
[0060](A)電鍍Pt層:對基體進(jìn)行噴砂處理后，放入60°C的堿性清洗液中超聲清洗5分鐘，隨后用去離子水沖洗兩次。沖洗后的基體放入活化液中活化60秒?；w水洗兩次，在預(yù)鍍液中預(yù)鍍2min。隨后將基體放入鍍Pt液中進(jìn)行電沉積，沉積時間90min，得到的Pt層厚度約10 μ m。
[0061](B)將Ni49.95Al49.95Scai鑄錠線切割為棒材，并將棒材置于電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，將經(jīng)過(A)處理的鎳基高溫合金基體固定于夾具上；真空室的真空度降至5X10_4Pa，夾具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為15rpm ;采用電子束加熱高溫合金基體至700°C，電子束電壓18kV ；
[0062](C)沉積粘結(jié)層:電流1.8A,料棒上升速率0.8mm/min,沉積速率1.8 μ m/min,沉積時間45min ;沉積完成后取出樣品并放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，溫度1050°C，時間3h，真空度小于2X 10_2Pa。得到的涂層厚度及結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本相同。
[0063]對制得的0.lat.%Sc改性(Ni，Pt) Al涂層進(jìn)行循環(huán)壽命測試，結(jié)果顯示沉積該涂層的鎳基高溫合金在循環(huán)氧化226~248h才開始失效。
[0064]實(shí)施例3:0.3at.%Sc改性NiAl及其改性(Ni，Pt) Al涂層
[0065]按照名義成分為附49.8^149.8如(|.3進(jìn)行配料，其原材料鎳、鋁和鈧的純度為99.99%。
[0066]采用真空電弧熔煉Ni49.85Al49.85Sca3鑄錠，真空度為5X10_4Pa，電流為1000A，鑄錠翻煉4次以確保熔煉均勻。對鑄錠進(jìn)行真空均勻化退火處理:1300°C熱處理24h，真空度為9.2 X IO^3Pa0
[0067]將鑄錠以線切割的方法切出10X8X3mm3的矩形小片，用砂紙打磨光滑，然后依次在丙酮和無水乙醇中超聲清洗15分鐘并烘干。記錄試樣表面積及初始重量。在1200°C循環(huán)氧化IOOh后，NiAl-0.3Sc平均氧化增重為2.31mg/cm2,僅為NiAl合金氧化增重的近一半(參見圖1所示)；NiAl-0.3Sc質(zhì)量變化為1.40mg/cm2 (參見圖2所示)，與氧化增重數(shù)值減少了 0.91mg/cm2，說明NiAl-0.3Sc表面氧化膜發(fā)生了剝落。
[0068]用掃描電鏡觀察氧化膜表面形貌，發(fā)現(xiàn)0.3at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整致密，存在小塊的剝落，沒有觀察到NiAl/氧化膜界面孔洞的存在，結(jié)果如圖3(d)。
[0069]用掃描電鏡觀察氧化膜截面形貌，發(fā)現(xiàn)0.3at.%Sc改性的NiAl表面氧化膜平整，存在厚度不一致的現(xiàn)象，但依然沒有發(fā)生明顯的剝落和皺曲，結(jié)果如圖4(d)。
[0070]采用電子束物理氣相沉積的方法在高溫合金基體上制備0.3at.%Sc改性(Ni，Pt)Al涂層的工藝為:
[0071](A)電鍍Pt層:對·基體進(jìn)行噴砂處理后，放入60°C的堿性清洗液中超聲清洗5分鐘，隨后用去離子水沖洗兩次。沖洗后的基體放入活化液中活化60秒?；w水洗兩次，在預(yù)鍍液中預(yù)鍍2min。隨后將基體放入鍍Pt液中進(jìn)行電沉積，沉積時間90min，得到的Pt層厚度約10 μ m。
[0072](B)將Ni49.85Al49.85Sca3鑄錠線切割為棒材，并將棒材置于電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，將將經(jīng)過(A)處理的鎳基高溫合金基體固定于夾具上；真空室的真空度降至5X10_4Pa，夾具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為20rpm ;采用電子束加熱高溫合金基體至800°C，電子束電壓19kV ；
[0073](C)沉積粘結(jié)層:電流2.0A,料棒上升速率1.0mm/min,沉積速率2.0 μ m/min,沉積時間30min ;沉積完成后取出樣品并放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，溫度1100°C，時間2h，真空度小于2X 10_2Pa。制得的涂層厚度及結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1、例2基本相同。
[0074]對制得的0.3at.%Sc改性(Ni，Pt) Al涂層進(jìn)行循環(huán)壽命測試，結(jié)果顯示沉積該成分涂層的高溫合金在循環(huán)氧 化152~173h開始失效。
【權(quán)利要求】
1.一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt) Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料的制備方法，其特征是: 第一步，采用電鍍方法在基體上制備Pt層； 第二步，采用電子束物理氣相沉積方法在Pt層上制備活性元素Sc改性的NiAl層； 第三步，將經(jīng)過第二步處理的鎳基高溫合金基體放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，即制得界面結(jié)合緊密的Sc改性(Ni，Pt) Al粘結(jié)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料的制備方法，其特征是，第一步具體步驟如下: (A)基體預(yù)處理:在液體噴砂機(jī)中用200目石英砂對基體表面進(jìn)行噴砂處理；噴砂處理后，將基體放入60°C的配方為30g NaOHU30g Na2CO3^30g Na3PO4和去離子水組成的IL堿性清洗液中超聲清洗5分鐘，隨后用去離子水沖洗；沖洗后的基體放入活化液中活化60秒； (B)預(yù)鍍Ni層:將活化后基體水洗兩次，在預(yù)鍍液中預(yù)鍍2min;預(yù)鍍液為沖擊鍍鎳溶液，由氯化鎳和鹽酸組成；配方為IL預(yù)鍍?nèi)芤褐泻然?00g，鹽酸120mL ； (C)電鍍Pt層:將經(jīng)過⑶處理的基體放入鍍Pt液中進(jìn)行電沉積，獲得Pt層；工藝參數(shù)為:鍍鉬液溫度80°C，電流密度0.5A/dm2，pH值10.5 ;陽極為鉬鈦網(wǎng)，陰極為基體，陽極:陰極表面積比~2 ;所述鍍Pt液成分為:二亞硝基二胺合鉬10g/L，氫氧化鈉20g/L，桂皮酸lg/L，濃氨水15ml/L，四氟硼酸鉀250g/L ;電鍍時間90min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料的制備方法，其特征是:所述的活化液中，IL活化液含有100mL36wt.%鹽酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料的制備方法，其特征是，第二`步具體步驟如下: (a)將粘結(jié)層料棒置于電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩堝內(nèi)，并將鍍Pt后的鎳基高溫合金基體以NiCr絲固定于夾具上；真空室的真空度降至1X10—2~5 X10_5Pa，夾具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為10~20rpm ;采用電子束加熱高溫合金基體至600~900°C，電子束電壓17~19kV ； (b)沉積粘結(jié)層:電流1.2~2.0A,料棒上升速率0.8~1.0mm/min,沉積速率1.5~2.0 μ m/min,沉積時間 0.5 ~lh。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料的制備方法，其特征是:所述的粘結(jié)層棒料的制備方法為:按照成分配比稱取純度為99.99wt.%的N1、純度為99.99wt.%的Al以及純度為99.99wt.%的活性元素Sc，將稱量好的原料置入真空電弧爐內(nèi)，在真空度為lX10-3~5X10_5Pa，電流為700~1000A的條件下，翻煉四次制得NiAl-Sc鑄錠；隨后對鑄錠進(jìn)行溫度為1300°C，時間為24h，真空度為9.2X 10?的均勻化退火處理；所述的成分配比為，Sc的原子百分比為0.05~0.3%，Ni和Al的原子比為1:1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料的制備方法，其特征是:第三步中熱處理參數(shù)為，溫度1000~1100°C，時間2~6h，真空度小于 2Xl(T2Pa。
7.一種活性元素Sc改性的(Ni，Pt)Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料，其特征是:由活性元素Sc改性的NiAl層和Pt層構(gòu)成，所述的活性元素Sc改性的NiAl層中，Sc的原子百分比為`0.05~0.3%，Ni和Al的原子比為1:1 ;Pt層厚度為10 μ m ;所述的Pt層位于活性元素Sc改性的NiAl層和基體之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的活性元素Sc改性的(Ni，Pt) Al抗高溫氧化粘結(jié)層材料，其特征是:所述的Sc改性NiAl`層的具體成分為NiAlSc0.05, NiAlSc0.!,NiAlSc0.30
【文檔編號】C23C14/30GK103667795SQ201310712377
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】郭洪波, 王璐, 程玉賢, 王迪, 宮聲凱, 徐惠彬 申請人:北京航空航天大學(xué)