镍基合金表面抗氧化耐热腐蚀Cr-Si-B-Y涂层的制备工艺及其渗剂

摘要

本发明涉及一种镍基合金表面抗氧化耐热腐蚀Cr‑Si‑B‑Y涂层的制备工艺及其渗剂，属于金属（高温合金）材料表面改性技术领域，本发明结合Cr、Si、B、Y四种元素的特性，通过扩散渗法在镍基合金表面制备Cr‑Si‑B‑Y涂层，以改善镍基合金的抗氧化耐热腐蚀性能差的技术难题，所获得的涂层具有结合力好、组织均匀致密的特点，同时，该制备工艺具备简单稳定、操作方便、效率高、成本低廉、易于实现等特点。实验表明：有涂层镍基合金在相同工况条件下，抗高温氧化性能较无涂层镍基合金提高了5‑8倍，耐腐蚀性能提高了10‑15倍。

说明书

技术领域

本发明属于金属（高温合金）材料表面改性，具体涉及一种镍基合金表面抗氧化耐热腐蚀Cr-Si-B-Y涂层的制备工艺及其渗剂。

背景技术

镍基合金由于具有良好的中、高温综合性能及优异的热疲劳性能，被广泛的应用于航空发动机叶片、燃气涡轮等关键高温结构件。然而，随着当前我国舰载机的发展，以及发动机“推重比”的进一步提高，要求发动机及燃气涡轮等不但要提高工作温度，并且要承受Cl^-、SO₂等腐蚀介质的侵蚀，这对镍基合金的抗氧化性及耐热腐蚀性提出新的要求。

为提高镍基合金的上述性能，常用两种方式：1）整体合金化，添加Al、Cr、V、W及Ta等各种合金元素，设计新的合金体系，该方法虽能改善镍基合金的抗高温耐热腐蚀性能，但往往会对材料整体的力学性能造成不利影响，同时由于材料的氧化及蚀破坏大多发生于材料表面，因此提高材料的表面性能显得更加重要；2）镍基合金表面改性技术，通过研究镍基合金的热防护机理及失效机制，合理设计镍基合金表面改性层的成分，在提高其抗氧化耐热腐蚀性能的同时使基体材料的性能得以完整保留。

研究发现，铬化物涂层具备熔点高、热稳定性好、抗热腐蚀性优异的特点，但单一的铬化物涂层抗高温性能欠佳；硅化物涂层密度低、熔点高、热稳定性良好，但硅化物涂层抗热腐蚀性能不足，同时由于本身脆性而导致其内易出现裂纹，在氧化时涂层内会产生较大的内应力，致使表面氧化膜剥落而失去保护性，因此需要添加活性元素对其进行改性，以提高涂层的抗氧化能力。稀土元素Y可以显著提高涂层的高温抗氧化性能；另一方面通过添加B来控制涂层的生长过程，抑制硅化物涂层中裂纹的形成，并利用氧化形成B₂O₃的低熔点性来提高氧化膜的流动性，从而有效弥合裂纹和孔洞。因此，需要将上述涂层的优缺点有机的统一起来，制备一种具有综合性能的多元复合涂层。

发明内容

有鉴于此，有必要提供提供一种渗剂，按照质量百分比计，包括：3%~5% Cr粉、3%~5% Si粉、2%~3% B粉、1%~2% Y₂O₃粉、3%~5%>4Cl粉、3%~5%>2O₃；其中，Cr、Si、B、Y₂O₃、NH₄Cl、NaF和Al₂O₃的纯度均为分析纯，且Al₂O₃的粒度≤200目。

还有必要提供一种镍基合金表面抗氧化耐热腐蚀Cr-Si-B-Y涂层的制备工艺，包括如下步骤：

准备试样：用80～1500# SiC水砂纸将镍基合金试样各表面依次打磨光滑，然后将镍基合金试样在无水乙醇中超声波清洗10-15min后吹干备用；

配制渗剂：按照质量百分比取3%~5% Cr粉、3%~5% Si粉、2%~3% B粉、1%~2% Y₂O₃粉、3%~5%>4Cl粉、3%~5%>2O₃混合配置渗剂，将配置好的渗剂混合后置于球磨机中研磨3h，球磨机转速为360转/min，随后置于温度为120℃的烘箱中保温1~2h进行烘干；

装样：将烘干后的渗剂装入坩埚，并把镍基合金试样埋入渗剂中压实，相邻平行试样之间的距离不小于8 mm，试样表面覆盖的渗剂厚度不小于12 mm；

密封：将装有试样的坩埚加盖并用硅溶胶及三氧化二铝密封后置于高温电阻炉中；硅胶和三氧化二铝的配置方法为每1L硅溶胶加入1~1.2kgAl₂O₃混合；

扩散渗：将高温电阻炉以15℃/min的速率升温至1080-1120℃，随后保温2~3h，然后随炉冷却至室温；

取样：将坩埚中的试样取出，用流动水冲洗，然后用酒精清洗，再进行烘干，结束。

本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：本发明通过扩散渗法在镍基合金表面制备了Cr-Si-B-Y复合涂层，解决了镍基合金的抗氧化耐热腐蚀性能差的技术难题。

所获得的涂层具有结合力好、组织均匀致密的特点，使得镍基合金在相同工况条件下，抗高温氧化性能较基体合金提高了5-8倍，耐腐蚀性能较基体合金提高了10-15倍，同时，该制备工艺具备简单稳定、操作方便、效率高、成本低廉、易于实现等特点。

且目前，通过扩散渗法在镍基高温合金表面制备抗高温耐热腐蚀的Cr-Si-B-Y四元复合涂层的技术尚属空白，因此，针对该Cr-Si-B-Y四元复合涂层制备技术的研究和实现对提高镍基合金抗高温耐腐蚀的应用具有重要意义。

附图说明

图1为镍基合金表面抗氧化耐热腐蚀Cr-Si-B-Y涂层的制备工艺流程图。

图2(a)为采用本发明实施例1所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层表面的显微形貌图。

图2(b)为采用本发明实施例1所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层截面的显微形貌图。

图3(a)为采用本发明实施例2所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层表面的显微形貌图。

图3(b)为采用本发明实施例2所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层截面的显微形貌图。

图4(a)为采用本发明实施例3所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层表面的显微形貌图。

图4(b)为采用本发明实施例3所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层截面的显微形貌图。

图5为采用本发明实施例3所获得的Cr-Si-B-Y复合渗层截面的结构说明。

具体实施方式

参照图1，一种镍基合金表面抗氧化耐热腐蚀Cr-Si-B-Y涂层的制备工艺流程，包括以下步骤：

（1）准备试样：用80～1500# SiC水砂纸将镍基合金试样各表面依次打磨光滑，然后将镍基合金试样在无水乙醇中超声波清洗10-15min后吹干备用；

（2）配制渗剂：按照质量百分比取3%~5% Cr粉、3%~5% Si粉、2%~3% B粉、1%~2% Y₂O₃粉、3%~5%>4Cl粉、3%~5%>2O₃配置渗剂，将配置好的渗剂混合后置于球磨机中研磨3h，球磨机转速为360转/min，随后置于温度为120℃的烘箱中保温1~2h进行烘干；

（3）装样：将烘干后的渗剂装入坩埚，并把镍基合金试样埋入渗剂中压实，相邻平行试样之间的距离不小于8 mm，试样表面覆盖的渗剂厚度不小于12 mm；

（4）密封：将装有试样的坩埚加盖并用硅溶胶及三氧化二铝密封后置于高温电阻炉中；硅胶和三氧化二铝的配置方法为每1L硅溶胶加入1~1.2kgAl₂O₃混合；

（5）扩散渗：将高温电阻炉以15℃/min的速率升温至1080-1120℃，随后保温2~3h，然后随炉冷却至室温；

（6）取样：将坩埚中的试样取出，用流动水冲洗，然后用酒精清洗，再进行烘干，结束。

实施例1：

参见图2，采用本发明技术方案的方法流程为：（1）准备试样：用80～1500# SiC水砂纸将试样各表面依次打磨至光滑，在无水乙醇中超声波清洗10min后吹干备用；（2）配制渗剂：按照重量百分比配置Cr-Si-B-Y渗剂，3%被渗元素Cr，3%被渗元素Si，2%被渗元素B，1%被渗元素Y₂O₃，3%催化剂NH₄Cl，3%催化剂NaF，余量为填充物Al₂O₃；将配置好的渗剂混合后置于球磨机中研磨3h，球磨机转速为360转/min，随后置于温度为120℃的烘箱中保温1~2h进行烘干；（3）装样：将烘干后的渗剂装入坩埚，并把试样埋入渗剂中压实；相邻平行试样之间的距离不小于8mm，试样表面覆盖的渗剂厚度不小于12>2O₃混合，密封后置于高温电阻炉中；（5）扩散渗：高温电阻炉以15℃/min的速率升温至1080℃，随后保温2h，随炉冷却至室温，（6）取样：将坩埚中的试样取出，用流动水冲洗，然后用酒精清洗，再进行烘干，结束。

参见图2中的(a)和(b)分别为实施例1中所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层表面和截面的显微形貌图。

实施例2

如图3所示，采用本发明技术方案的方法流程为：（1）准备试样：用80～1500# SiC水砂纸将试样各表面依次打磨至光滑，在无水乙醇中超声波清洗12min后吹干备用；（2）配制渗剂：按照重量百分比配置Cr-Si-B-Y渗剂，4%被渗元素Cr，4%被渗元素Si，2.5%被渗元素B，1.5%被渗元素Y₂O₃，4%催化剂NH₄Cl，4%催化剂NaF，余量为填充物Al₂O₃；将配置好的渗剂混合后置于球磨机中研磨3h，球磨机转速为360转/min，随后置于温度为120℃的烘箱中保温1.5h进行烘干；（3）装样：将烘干后的渗剂装入坩埚，并把试样埋入渗剂中压实；相邻平行试样之间的距离不小于8mm，试样表面覆盖的渗剂厚度不小于12>2O₃混合，密封后置于高温电阻炉中；（5）扩散渗：高温电阻炉以15℃/min的速率升温至1100℃，随后保温2.5h，随炉冷却至室温，（6）取样：将坩埚中的试样取出，用流动水冲洗，然后用酒精清洗，再进行烘干，结束。

参见图3中的(a)和(b)分别为实施例2中所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层表面和截面的显微形貌图。

实施例3

如图4所示，采用本发明技术方案的方法流程为：（1）准备试样：用80～1500# SiC水砂纸将试样各表面依次打磨至光滑，在无水乙醇中超声波清洗15min后吹干备用；（2）配制渗剂：按照重量百分比配置Cr-Si-B-Y渗剂，5%被渗元素Cr，5%被渗元素Si，3%被渗元素B，2%被渗元素Y₂O₃，5%催化剂NH₄Cl，5%催化剂NaF，余量为填充物Al₂O₃；将配置好的渗剂混合后置于球磨机中研磨3h，球磨机转速为360转/min，随后置于温度为120℃的烘箱中保温2h进行烘干；（3）装样：将烘干后的渗剂装入坩埚，并把试样埋入渗剂中压实；相邻平行试样之间的距离不小于8mm，试样表面覆盖的渗剂厚度不小于12>2O₃混合，密封后置于高温电阻炉中；（5）扩散渗：高温电阻炉以15℃/min的速率升温至1120℃，随后保温3h，随炉冷却至室温，（6）取样：将坩埚中的试样取出，用流动水冲洗，然后用酒精清洗，再进行烘干，结束。

参见图4中的(a)和(b)分别为实施例3中所获得的Cr-Si-B-Y复合涂层表面和截面的显微形貌图。

参见图5为采用本发明实施例3所获得的Cr-Si-B-Y复合渗层截面的结构说明。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。