本發(fā)明涉及高溫合金防護涂層領(lǐng)域，具體涉及一種鎳鋁合金涂層及其制備鎳鋁合金涂層的方法。

背景技術(shù)：

粉末包埋法是將試樣埋覆于粉末滲劑中，在規(guī)定的時間內(nèi)進行熱擴散處理來獲得鎳鋁合金涂層的方法。固體粉末包埋法也稱為包裝法，是發(fā)展最早且應(yīng)用最廣泛的一種鋁化物涂層制備方法。粉末包埋滲鋁本質(zhì)上屬于化學(xué)氣相滲鋁，包埋滲劑中通常添加2％到5％的活化劑，活化劑在高溫下易分解成鹵化氫氣體并與Al反應(yīng)生成金屬鹵化物，這些金屬鹵化物呈氣態(tài)并吸附在試樣表層釋放出活性Al原子，從而產(chǎn)生鎳鋁合金涂層。固體粉末包埋滲有以下一些優(yōu)點：設(shè)備要求簡單，操作方便，適用于大多數(shù)機械零部件，制備出的鎳鋁合金涂層質(zhì)量較好，是應(yīng)用最廣泛的方法。

為了進一步提高鎳鋁合金涂層的抗氧化能力，只靠普通的滲鋁層來改善合金表面的氧化膜質(zhì)量是遠遠不夠的，因此需要對鎳鋁合金涂層進行改性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種鎳鋁合金涂層，提高鎳鋁合金涂層的抗高溫氧化能力。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：一種鎳鋁合金涂層，包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉積物、位錯纏結(jié)、位錯環(huán)、莫瑞條；所述的涂層由NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒和AlCr沉積物構(gòu)成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周邊設(shè)置位錯纏結(jié)；所述NiAl相周圍的晶粒內(nèi)部設(shè)置有析出相；多個析出相周邊設(shè)置有位錯環(huán)；相鄰NiAl相晶界位置處有若干莫瑞條。

進一步地，所述NiAl相晶粒的粒徑在200nm-300nm；Ni2Al3相晶粒的粒徑在48-52nm。

本發(fā)明的一種制備權(quán)利要求1所述的鎳鋁合金涂層的方法，包括如下步驟：

（1）將滲鋁劑按比例充分混合均勻后與需要進行滲鋁處理的鎳基合金共置于密封的滲灌中，在真空下或惰性氣體保護下加熱進行滲鋁處理；

（2）用清洗劑洗掉表面粘附的粉末，然后對滲鋁后的表面進行打磨、拋光處理；

（3）對步驟（2）處理完的合金其進行激光沖擊強化。

進一步地，所述在合金表面進行激光強化沖擊，沖擊功率是10kw，沖擊次數(shù)為2-4次，光斑直徑4mm，搭接率50%，采用鋁箔為保護層，2mm層厚水為約束層。

進一步地，步驟（1）中滲鋁劑按照重量百分比計包括如下組分：Cr 12wt.%、Pd 1.5 wt.%、Al 24.5wt.%、NH4Cl 3.2wt.%、AlCr合金粉18wt.%、Y2O3 3.8wt.%、Al2O3余量。

本發(fā)明的有益效果：通過本發(fā)明的方法，鎳鋁合金涂層表面的氧化膜有細化作用，有助于抑制氧化膜和基體內(nèi)部TCP的生長速度，延緩氧化物的相變時間，對于提高氧化膜的粘結(jié)強度具有較好的效果，因此激光沖擊可以提高鎳鋁合金涂層的抗高溫氧化能力。

附圖說明

為了更清晰地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為滲鋁涂層變形與位錯的表面微觀結(jié)構(gòu)；

圖2為滲鋁涂層變形與位錯運動表面微觀結(jié)構(gòu)；

圖3為滲鋁涂層NiAl相的表面微觀結(jié)構(gòu)；

圖4為滲鋁涂層NiAl相電子衍射的表面微觀結(jié)構(gòu)；

圖5為滲鋁涂層莫瑞條紋的表面微觀結(jié)構(gòu)；

圖6為莫瑞條紋電子衍射圖。

圖7為滲鋁涂層位錯墻、位錯胞和位錯纏結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)；

圖8為滲鋁涂層錯為運動的微觀結(jié)構(gòu)；

圖9為滲鋁涂層晶粒細化的微觀結(jié)構(gòu)；

圖10為滲鋁涂層位錯整列的微觀結(jié)構(gòu)；

圖11為試樣a的滲鋁涂層在800°C-1100℃下氧化動力學(xué)曲線；

圖12為試樣b的滲鋁涂層在800°C-1100℃下氧化動力學(xué)曲線；

圖13為800℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖14為900℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖15為1000℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖16為1100℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖17為800℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖18為900℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖19為1000℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖20為1100℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面物相分析；

圖21為800℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖22為900℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖23為1000℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖24為1100℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖25為800℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖26為900℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖27為1000℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖28為1100℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h表面形貌；

圖29為800℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖30為900℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖31為1000℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖32為1100℃時試樣a滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖33為800℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖34為900℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖35為1000℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h截面形貌；

圖36為1100℃時試樣b滲鋁涂層氧化100h截面形貌。

具體實施方式

下面將通過具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

實施例1

如圖1所示，為本發(fā)明的一種鎳鋁合金涂層，包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉積物、位錯纏結(jié)、位錯環(huán)、莫瑞條；所述的涂層由NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒和AlCr沉積物構(gòu)成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周邊設(shè)置位錯纏結(jié)；所述NiAl相周圍的晶粒內(nèi)部設(shè)置有析出相；多個析出相周邊設(shè)置有位錯環(huán)；相鄰NiAl相晶界位置處有若干莫瑞條。所述NiAl相晶粒的粒徑在200nm-300nm；Ni2Al3相晶粒的粒徑在48-52nm。

實施例2

本發(fā)明的一種制備權(quán)利要求1所述的鎳鋁合金涂層的方法，包括如下步驟

（1）將滲鋁劑按比例充分混合均勻后與需要進行滲鋁處理的鎳基合金共置于密封的滲灌中，在真空下或惰性氣體保護下分段加熱進行滲鋁處理；第一段加熱至800℃，保溫6h，第二段加熱至900℃，保溫1h，然后隨爐冷卻至室溫取出試樣；兩段加熱過程中的升溫速率均為7-12℃/min；滲鋁劑按照重量百分比計包括如下組分：Cr 12wt.%、Pd 1.5 wt.%、Al 24.5wt.%、NH4Cl 3.2wt.%、AlCr合金粉18wt.%、Y2O3 3.8wt.%、Al2O3 余量。

（2）用清洗劑洗掉表面粘附的粉末，然后對滲鋁后的表面進行打磨、拋光處理；

（3）對步驟（2）處理完的合金其進行激光沖擊強化。

本發(fā)明在合金表面進行激光強化沖擊，沖擊功率是10kw，沖擊次數(shù)為2-4次，光斑直徑4mm，搭接率50%，采用鋁箔為保護層，2mm層厚水為約束層。

本實施例制得的鎳鋁合金涂層，通過透射電鏡觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。從圖中可以看出涂層晶粒基本都處于納米尺度，NiAl相晶粒在200nm-300nm，還可能更大晶粒，Ni2Al3相晶粒尺寸大約在50nm左右。經(jīng)過激光沖擊后的涂層表面只有少量的晶粒產(chǎn)生了變形，如圖1所示，在變形的晶界邊緣發(fā)現(xiàn)有少量的位錯。NiAl相雖然為脆性材料，變形很小，但是經(jīng)激光仍然可以看出位錯在其中的運動的過程，如圖2，從圖中可以看出，位錯運動的途徑有兩個：一個是沿著晶界運動，當遇到其它晶界時受阻產(chǎn)生積塞；另外就是在晶體內(nèi)部運動，當運動到另一邊晶界時產(chǎn)生積塞。從多個方向運動而來的位錯，在晶界的某個位置積塞形成了位錯纏結(jié)。同時還發(fā)現(xiàn)位錯運動時受到一些析出相的阻礙，形成了沿著析出相周邊的位錯包裹現(xiàn)象，產(chǎn)生了位錯環(huán)。根據(jù)圖4電子衍射標定所示，圖3為NiAl相，由于受到等離子體沖擊波的影響，晶體產(chǎn)生了較小的變形，在晶體內(nèi)部和晶界上存在少量的位錯。在該NiAl相周圍的晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有少量的析出相，尺度大約在20-30nm左右，另外也有少量的變形和位錯存在。在相鄰NiAl相晶界位置處發(fā)現(xiàn)有大量的莫瑞條，如圖5所示，這主要是由于上下兩個晶體重疊造成的。根據(jù)圖6所標定的顯示，存在有兩套斑點，其中一套斑點的間距是另一套斑點的兩倍，這是NiAl相和Ni3Al相產(chǎn)生了共格。

本發(fā)明對涂層下方的GH202基體進行透射電鏡分析，如圖7-10所示。圖中本發(fā)明的基體產(chǎn)生了高密度的位錯，如圖7所示。本發(fā)明的基體發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致位錯運動在晶界積塞，形成了位錯墻和位錯纏結(jié)。在位錯運動過程中受到某一析出相的阻礙形成了位錯環(huán)。這些晶體缺陷的產(chǎn)生阻礙了位錯的運動，提高了材料的力學(xué)性能。GH202內(nèi)部的位錯呈相互平行的運動趨勢，如圖8所示，形成了一些穿過晶體的孿晶，當位錯運動到晶界位置，產(chǎn)生堆積，形成高密度的位錯纏結(jié)，增加了位錯進一步滑移的阻力。由于位錯的運動不同，當多個位錯從不同方向運動到某一位置相互交錯，使晶體產(chǎn)生了細化，形成了尺寸約為100nm左右的小晶體，如圖9所示。在如圖10中晶粒細化尤為明顯，另外還發(fā)現(xiàn)在有位錯陣列的存在，在陣列中間還存有高密度的位錯纏結(jié)。以上現(xiàn)象說明采用本發(fā)明的方法制備的鎳鋁合金涂層，實現(xiàn)對基體的強化，有利于提高涂層和合金的抗高溫氧化性能。

實施例3

選取試樣a和試樣b，試樣a采用傳統(tǒng)方法制備的鎳鋁合金涂層，試樣b采用本發(fā)明的方法制備的鎳鋁合金涂層。

將試樣a和試樣b在800℃-1100℃下進行恒溫氧化性能的測試，根據(jù)實驗中試樣重量的變化，繪制出兩種試樣各溫度下氧化動力學(xué)曲線。試樣a的滲鋁涂層在氧化初期，單位面積上的增重量呈快速上升的趨勢，隨著高溫氧化持續(xù)進行，其氧化增重速度逐漸減緩，如圖11所示。隨著氧化溫度的升高，涂層氧化增重也隨之增加，在1100 ℃條件下試樣增重尤為明顯。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在1000 ℃和1100℃下試樣有所減重，這是由于在高溫下氧化膜發(fā)生剝落造成。圖12顯示的是試樣b在各溫度下氧化增重變化情況，可以看出其氧化增重要明顯低于未沖擊的試樣，且在1000 C下并未發(fā)現(xiàn)有增重減少的現(xiàn)象，而1100 ℃增重略有降低，說明試樣b在1100℃氧化100h后也發(fā)生了氧化膜脫落的現(xiàn)象，但是其減重的程度要比試樣a要小。由此可以看出，滲鋁試樣在氧化初期生成Al2O3氧化膜，使試樣重量增加較為顯著，隨著氧化的持續(xù)進行，涂層表面連續(xù)而致密的Al2O3薄膜阻礙了氧的進一步滲透，具有較好的保護作用。本發(fā)明的方法能夠促進Al元素的快速地生成更加致密的Al2O3薄膜，更加有效地防止氧的滲透，從而使合金增重量較低，說明本發(fā)明的方法改善滲鋁涂層的高溫抗氧化性能。

對試樣a和試樣b進行了X射線衍射分析，從圖13-20所示，圖中可以看出滲鋁涂層試樣在800℃氧化后表面氧化膜的主要成分為α-Al2O3、，θ-Al2O3,由于氧化膜厚度較薄，還檢測出NiAl、Ni2Al3和基體。比較圖13和17兩圖不難發(fā)現(xiàn)，試樣b的NiAl和基體的峰值比試樣a要強，說明本發(fā)明的涂層所生成的氧化膜相對較薄，其氧化膜的生長速率較為緩慢。涂層在900℃下氧化100小時后，表面氧化膜的仍然是由α-Al2O3，θ-Al2O3組成，Ni2Al3的峰幾乎消失，這是由于長時間在高溫下發(fā)生了相變，生成了NiAl相；在1000℃氧化100h后在試樣b上發(fā)現(xiàn)有少量的Cr2O3（圖15所示），說明表面的Al2O3薄膜發(fā)生了一定程度的剝落，而未沖擊的試樣則沒有發(fā)現(xiàn)Cr2O3的出現(xiàn)，表面氧化膜主要由α-Al2O3組成，伴隨有少量的θ-Al2O3（圖19所示）；試樣a和b在1100℃氧化100h后，均發(fā)生了大片的剝落現(xiàn)象，產(chǎn)生了大量的Cr2O3和少量的TiO2和尖晶石NiCr2O4。比較試樣a和b的峰值，試樣a生成的Cr2O3明顯要多一些，表明了本發(fā)明的涂層有助于抑制Cr2O3的生長，延緩Cr元素向外擴散。

通過掃描電鏡觀察試樣a和b表面氧化膜形貌。從圖中可以看出在800℃氧化100h后氧化膜非常致密主要是呈針狀的θ-Al2O3和少量的塊狀的α-Al2O3。比較試樣a和b，不難發(fā)現(xiàn)試樣b表面氧化膜更加致密（如圖21、22所示）；隨著溫度的升高，試樣在900℃氧化100h后，試樣a氧化膜中針狀的θ-Al2O3和α-Al2O3長大比較明顯，氧化膜略顯的較為疏松，而試樣b表面氧化膜，仍顯得較為致密，θ-Al2O3和α-Al2O3的尺度相對較小（如圖23、24所示）；在1000℃氧化100h后，試樣a表面氧化膜發(fā)生較大面積的脫落，氧化膜形成了多個小的凹坑，而試樣b的氧化膜中的Al2O3尺度有了較為明顯的長大，但是相比較前者仍顯得致密許多（25、26圖所示）；在1100℃下氧化100小時后，試樣a涂層氧化膜出現(xiàn)了大片的剝落區(qū)域，氧化膜中Al2O3含量較少，而試樣b氧化膜保持的較為完整，只是α-Al2O3顆粒長大較為明顯，θ-Al2O3已經(jīng)消失了，同時還發(fā)現(xiàn)氧化膜表面出現(xiàn)了少量的Cr2O3和TiO2。由此說明試樣b氧化性能要優(yōu)于試樣a，這主要本發(fā)明的方法對于滲鋁表面氧化膜有一種細化作用，能夠抑制Al2O3的生長，延緩氧化膜的相變時間，從而對基體起到了一種更好的保護作用。

試樣a和b在800-1100℃氧化100h后截面形貌如圖29-36所示，經(jīng)800℃氧化100h后截面形成三層結(jié)構(gòu)，在表面層形成了一層薄薄的致密連續(xù)的氧化膜，根據(jù)XRD分析可知主要是Al2O3，中間一層為NiAl涂層，在涂層的下方為內(nèi)擴散層（Inter-diffusion Zone），如圖29和30所示。隨著氧化溫度的升高，在900℃氧化100h后試樣a仍為三層結(jié)構(gòu)，最外層的氧化膜厚度生長較為明顯，而試樣b的滲鋁涂層氧化膜呈現(xiàn)為兩層結(jié)構(gòu)，外層為Al2O3薄膜，內(nèi)層為Cr2O3薄膜，外層稍厚，而內(nèi)層非常致密，對基體起到了雙重的保護作用。氧化膜下方的內(nèi)擴散區(qū)域明顯變厚，說明本發(fā)明的方法有助于Al元素的向內(nèi)擴散，如圖31和32所示。在1000℃氧化100h后試樣a的滲鋁試樣截面已看不出三層結(jié)構(gòu)，此時氧化膜變得較為疏松，伴隨有許多裂紋和大塊的剝落區(qū)域的出現(xiàn)，且在基體內(nèi)部發(fā)生了一定程度的內(nèi)氧化，同時伴隨有粗大條狀的TCP相析出，如圖33所示。而試樣b其氧化膜的上部也出現(xiàn)了疏松和剝落現(xiàn)象，析出猶如針狀的TCP相，氧化膜下方也出現(xiàn)的內(nèi)氧化現(xiàn)象，相比較前者要輕了許多，如圖33所示。在1100℃氧化100h后，試樣a表面氧化膜剝落較為嚴重，合金基體沿著晶界的內(nèi)氧化深度大約為50μm，而試樣b的表面氧化膜更厚，分為兩層，外層薄而疏松，帶有氣孔，內(nèi)層厚而致密，對基體合金仍具有一定的保護作用。內(nèi)氧化的程度有多加劇，析出TCP變多，長大較為明顯。由此可以看出，本發(fā)明的方法對于滲鋁涂層表面的氧化膜有細化作用，有助于抑制氧化膜和基體內(nèi)部TCP的生長速度，延緩氧化物的相變時間，對于提高氧化膜的粘結(jié)強度具有較好的效果，可以提高滲鋁涂層的抗高溫氧化能力。

上面所述的實施例僅僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域中普通工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進均應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的請求保護的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在技術(shù)要求書中。

技術(shù)特征：

1.一種鎳鋁合金涂層，其特征在于：包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉積物、位錯纏結(jié)、位錯環(huán)、莫瑞條；所述的涂層由NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒和AlCr沉積物構(gòu)成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周邊設(shè)置位錯纏結(jié)；所述NiAl相周圍的晶粒內(nèi)部設(shè)置有析出相；多個析出相周邊設(shè)置有位錯環(huán)；相鄰NiAl相晶界位置處有若干莫瑞條。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎳鋁合金涂層，其特征在于：所述NiAl相晶粒的粒徑在200nm-300nm；Ni2Al3相晶粒的粒徑在48-52nm。

3.一種制備權(quán)利要求1所述的鎳鋁合金涂層的方法，其特征在于：包括如下步驟：

（1）將滲鋁劑按比例充分混合均勻后與需要進行滲鋁處理的鎳基合金共置于密封的滲灌中，在真空下或惰性氣體保護下加熱進行滲鋁處理；

（2）用清洗劑洗掉表面粘附的粉末，然后對滲鋁后的表面進行打磨、拋光處理；

對步驟（2）處理完的合金其進行激光沖擊強化。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備鎳鋁合金涂層的方法，其特征在于：所述在合金表面進行激光強化沖擊，沖擊功率是10kw，沖擊次數(shù)為2-4次，光斑直徑4mm，搭接率50%，采用鋁箔為保護層，2mm層厚水為約束層。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備鎳鋁合金涂層的方法，其特征在于：步驟（1）中滲鋁劑按照重量百分比計包括如下組分：Cr 12wt.%、Pd 1.5 wt.%、Al 24.5wt.%、NH4Cl 3.2wt.%、AlCr合金粉18wt.%、Y2O3 3.8wt.%、Al2O3 余量。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種鎳鋁合金涂層，包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉積物、位錯纏結(jié)、位錯環(huán)、莫瑞條；所述的涂層由NiAl相晶粒和Ni2Al3相晶粒構(gòu)成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周邊設(shè)置位錯纏結(jié)；所述NiAl相周圍的晶粒內(nèi)部設(shè)置有析出相；多個析出相周邊設(shè)置有位錯環(huán)；相鄰NiAl相晶界位置處有大量的莫瑞條。本發(fā)明的鎳鋁合金涂層采用等離子噴涂后進行激光強化處理，提高鎳鋁合金涂層的抗高溫氧化能力。

技術(shù)研發(fā)人員：曹將棟;張曉健;曹雪玉;姜伯晨

受保護的技術(shù)使用者：江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院

技術(shù)研發(fā)日：2019.07.10

技術(shù)公布日：2019.09.20