专利名称：：一种纳米晶复合涂层及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及材料科学，特别提供了一种纳米晶复合涂层及其制备方法。
背景技术：
：在现有技术中，燃气轮机相关技术的发展受到材料技术和设计的很大限制。在技术发展过程中，结构设计技术、叶片冷却技术、高温铸造合金技术的发展都有效地提高了燃气轮机的效率和功率。从20世纪60年代起，MCrAlY涂层因其优良的抗氧化能力被广泛使用在运行参数高、环境恶劣的燃气轮机涡轮叶片技术中。但是，人们在实际使用中发现，这种涂层的性能在很大程度上取决于不同制备方法的使用。究其原因，当使用不同的制备方法时，即使涂层的化学成分相同，不同的方法制备出的涂层微观结构也不一样。现有技术中，纳米晶涂层的制造成本往往较高，而且涂层在特殊条件下(尤其是在高温或腐蚀环境下)使用时，涂层的寿命会急剧缩短。因此，寻找一种能提高MCrAlY涂层的抗氧化及热腐蚀能力的方法，有着重要的实际意义。在现有技术中，普通MCrAlY型涂层为多相合金，当其中的铝含量较低时，合金的母相为面心立方塑性较好的Ni或Co的固溶体相；当合金中的Al含量较高时，由于脆性相的析出，合金的脆性增加，使材料的可加工性能急剧下降，而高的Al含量对提高涂层的高温氧化及热腐蚀性能是十分重要的。当金属材料的成分相同时，晶粒尺寸不同，即晶界体积不同，可显著地改变材料的高温氧化速度，在本
技术领域：
我们通常称之为晶界效应。纳米晶涂层与相同成分的粗晶涂层相比，晶界体积分数高，晶界作为快速扩散通道，晶界效应明显，不但可显著改善涂层的抗高温氧化与热腐蚀性能，而且改变了氧化膜成分，使合金中Al含量较低时仍可生成稳定的Al2O3膜，降低了材料加工的工艺难度。但是，现有技术中的纳米晶涂层直接涂覆在基体材料表面，制备成本高，在使用时涂层寿命短。人们期望获得一种抗高温氧化及热腐蚀性能优良、同时还具有较好机械加工性能的材料，这是本领域亟待解决的一大技术难题。
发明内容本发明的目的是提供一种纳米晶复合涂层及其制备方法。本发明一种纳米晶复合涂层，其特征在于所述涂层分为两层，内层为普通MCrAlY涂层2，外层为与前者同成分的纳米晶涂层3；其中M为Ni、Co或Ni和Co的混合物；以上所述的涂层中各成分的重量百分比为Al4-13％；Cr15-35％；Y0.5-1％；其他余量。针对现有技术中纳米晶涂层的制造成本过高的问题，在普通MCrAlY涂层2表面制造一定厚度的相同成分纳米晶涂层3，使涂层在使用初期就形成高质量的保护膜，保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时可延长整个涂层系统的使用寿命，降低涂层制备的成本；同时由于复合涂层中的两层成分组成一致，各成分含量基本相同，这样就很好的避免了因成分不同而造成的两层涂层间的明显互扩散，更好地保证了涂层的质量和使用寿命。本发明一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在基体材料1的表面制备双层结构的复合涂层首先在基体材料1的表面制备一层普通MCrAlY涂层2，其中M为Ni、Co、或Ni和Co的混合物；然后在普通MCrAlY涂层2的表面制备一层与前者同成分的纳米晶涂层3；以上所述的两层涂层中各成分的重量百分比为Al4-13％；Cr15-35％；Y0.5-1％；其他余量。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层(2)采用的方法是以下三类方法之一热喷涂、物理气相沉积、电镀。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层(2)所采用的热喷涂方法是超音速火焰喷涂(HVOF)；本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层(2)所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的方法是物理气相沉积。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层2所采用的方法是超音速火焰喷涂(HVOF)或电弧镀；在普通MCrAlY涂层2上制备表层纳米晶涂层3所采用的方法是溅射。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于首先在基体材料1表面制备的普通MCrAlY涂层2厚度为20～30μm。本发明纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备表面纳米晶涂层3厚度为10～20μm。按照本发明所述纳米晶复合涂层的制备方法，表面纳米晶层3与底层普通McrAlY涂层2结合良好，结构致密、无明显的缺陷，从组织结构上也保证了涂层的良好性能。本发明的优点大幅降低了制造纳米晶涂层的成本，简化了制备过程。针对现有技术中纳米晶涂层的制造成本过高的问题，在普通MCrAlY涂层表面制造一定厚度的相同成分纳米晶涂层，使涂层在使用初期就形成高质量的保护膜，保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时可延长整个涂层系统的使用寿命，降低涂层制备的成本；同时由于复合涂层中的两层成分组成基本一致，这样就避免了因成分不同而造成的两层涂层间的互扩散，更好的保证了涂层的质量和使用寿命。图1纳米晶复合涂层结构示意图。具体实施例方式参见图1；表1为各比较例与实施例的涂层系统结构对比列表；比较例1样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例1样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在CoNiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶CoNiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例2样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在CoNiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶CoNiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例3样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用HVOF(超音速火焰喷涂)法制造一层CoNiCrAlY(21wt％Ni，38wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Co余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)的方法在CoNiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶CoNiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。比较例2样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例4样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni，Ni余)厚度为20μm；用溅射的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例5样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；用电弧镀的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例6样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用溅射法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；用EB-PVD(电子束物理气相沉积)的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。比较例3样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例7样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在NiCrAlY层表面制备10μm厚的同成分纳米晶纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例8样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例9样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电弧镀法制造一层NiCrAlY(22wt％Cr，13wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)的方法在表面制备10m厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表表2、表3所示。比较例4样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表表2、表3所示。实施例10样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例11样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例12样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用EB-PVD(电子束物理气相沉积)制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。比较例5样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为30μm。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例13样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用溅射的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例14样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用电弧镀的方法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。实施例15样品铸态M17，尺寸为20mm×10mm×3mm，在样品基体合金上使用电镀的方法制造一层NiCrAlY(35wt％Cr，8wt％Al，0.5wt％Y，Ni余)厚度为20μm；然后，用EB-PVD(电子束物理气相沉积)法在表面制备10μm厚的同成分纳米晶NiCrAlY层，涂层表面平整，组织致密。抗高温及NaCl腐蚀性能如表2、表3所示。表1涂层系统的结构表2不同涂层900℃空气中的氧化增重率<tablesid="table3"num="003"><tablewidth="630">实施例6200.19实施例13200.17400.31400.28600.34600.35800.36800.401000.401000.43比较例3200.19实施例14200.15400.29400.27600.38600.33800.46800.421000.571000.45实施例7200.22实施例15200.14400.28400.26600.33600.31800.37800.371000.411000.41</table></tables>表3.不同涂层的热腐蚀(75wt％NaCl+25wt％Na2SO4at850℃)增重率权利要求1.一种纳米晶复合涂层，其特征在于所述涂层分为两层，内层为普通MCrAlY涂层2外层为与前者同成分的纳米晶涂层3其中M为Ni、Co或Ni和Co和混合物；以上所述的涂层中各成分的重量百分比为Al4-13％；Cr15-35％；Y0.5-1％；其他余量。2.一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在基体材料1的表面制备双层结构的复合涂层；首先在基体材料1的表面制备一层普通MCrAlY涂层2，其中M为Ni、Co、或Ni和Co的混合物；然后在普通MCrAlY涂层2的表面制备一层与前者同成分的纳米晶涂层3；以上所述的两层涂层中各成分的重量百分比为Al4-13％；Cr15-35％；Y0.5-1％；其他余量。3.按照权利要求2所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层2采用的方法是以下三类方法之一热喷涂、物理气相沉积、电镀。4.按照权利要求3所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层2所采用的热喷涂方法是超音速火焰喷涂(HVOF)；5.按照权利要求3所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层2所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。6.按照权利要求2所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的方法是物理气相沉积。7.按照权利要求6所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的物理气相沉积方法是溅射、电弧镀或电子束物理气相沉积(EB-PVD)。8.按照权利要求2或3或6所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于制备普通MCrAlY涂层2所采用的方法是超音速火焰喷涂(HVOF)或电弧镀；在普通MCrAlY涂层2上制备纳米晶涂层3所采用的方法是溅射。9.按照权利要求2～5或8其中之一所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于在基体材料1表面制备的普通MCrAlY涂层2厚度为20～30μm。10.按照权利要求2或6或7或8所述纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于表面纳米晶涂层3厚度为10～20μm。全文摘要一种纳米晶复合涂层内层为普通MCrAlY涂层，其中M为Ni、Co或Ni和Co和混合物；外层为同成分的纳米晶涂层；各成分重量百分比为Al4－12％；Cr15－35％；Y0.5－1％；其他余量。本发明纳米晶复合涂层的制备方法首先在基体材料(1)的表面制备一层普通MCrAlY涂层(2)，其中M为Ni、Co、或Ni和Co的混合物；然后在普通MCrAlY涂层(2)的表面制备与前者同成分的纳米晶涂层(3)。本发明大幅降低了制备纳米晶涂层的成本，简化了制备过程。保证了涂层系统具有较好的抗高温及热腐蚀性能，同时更好的保证了涂层的使用质量和使用寿命。文档编号B32B15/04GK1846985SQ20051004618公开日2006年10月18日申请日期2005年4月5日优先权日2005年4月5日发明者朱圣龙,谢冬柏,王福会,王世臣申请人:中国科学院金属研究所