[发明专利]一种耐高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属间化合物涂层领域，更具体地说，是涉及一种耐高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展和生产技术的进步，加工设备的运转、加工能量、生产效率和自动化水平日益提高，产品服役性能的要求也越来越严格，特别是高温部件的耐蚀性能的要求，而仅靠提高基材合金的性能有时已难以满足使用要求。另外，通常的高温合金必须同时满足两方面的要求：优异的高温力学性能和抗高温腐蚀性。Al和Cr是重要的抗高温腐蚀元素，但是在高强度的合金中，如果Cr含量太高就会生成对力学性能有害的相，Al含量太高就会使合金塑性下降，加工性能恶化。要解决合金高温力学性能和腐蚀性能之间的矛盾，一种有效的途径就是在合金表面施加防护涂层。

涂层的制备方式很多，如热扩散渗Al、CVD或PVD、电镀、热喷涂、溅射等。热扩散渗Al是较常用的涂层制备方式，但是其工作温度较高，材料会发生氧化；CVD或PVD技术制备的涂层与基体间结合不太好，而EB-PVD（电子束物理气相沉积）虽然涂层附着力强，对涂层污染少，但是设备复杂，涂层生产成本高。当涂层成分复杂或熔点较高时，溅射方法制备涂层有着明显的优越性，但是此种方式沉积效率低，成本较高。早期的常压等离子喷涂，涂层孔隙率高，结合力差，后来发展为低压真空等离子喷涂，涂层沉积效率高，性能改善，但是这使得设备复杂，涂层制备成本提高。

成本低廉、操作方便、性能优良的涂层制备技术一直受到重视。高能微弧合金化技术（HEMAA）是一种简便易行、成本低廉的金属材料表面处理工艺，能在合金表面形成高硬度、耐磨、具有特殊物理、化学性能的强化层，而且涂层与基材之间是冶金结合，涂层制备中对基材热影响区非常小。而且HEMAA能制备微晶或纳米晶的涂层，晶粒的细化有利于元素的选择性氧化，增加涂层的抗高温腐蚀性能。

金属间化合物有许多优良的性能，包括高熔点、高抗高温腐蚀性能、较高的高温强度和蠕变抗力以及高的比强度，而且具有峰值温度以下屈服强度的正温度效应。但室温脆性仍是其作为实用高温结构材料的主要障碍。将金属间化合物用作表面涂层材料，则可以避免对韧性不良的金属间化合物的加工成型，充分发挥金属间化合物的性能优势，改善母材金属表面的服役性能。

发明内容

为了同时满足材料优异的高温力学性能和抗高温氧化性能，本发明提供了一种耐高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种耐高温氧化金属间化合物涂层，在金属基体上设有具有冶金结合的微晶金属间化合物涂层，微晶的晶粒尺寸为0.1~10μm，涂层的厚度为≤150μm，所述的涂层材料是Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系金属间化合物。

所述的金属基体为普通的不锈钢材料、高温合金、金属间化合物中的任意一种。

制备所述的耐高温氧化金属间化合物涂层的方法，在非反应气体保护中，室温下，应用高能微弧合金化技术在洁净的金属基体表面制备金属间化合物涂层，制备的参数范围为：输出功率为50~2000W，输出电压为40~100V，输出频率为≤2000Hz，制备时间≤30min/cm²；涂层材料是Ti-Al系、Ni-Al系、Fe-Al系金属间化合物。

所采用的高能微弧合金化技术制备的参数范围优选为：输出功率为900~2000W，输出电压为60~80V，输出频率为1000~2000Hz，制备时间为2~7min/cm²。

更优选的方案为：在结束前，将输出电压调整为40~60V，然后再扫过整个涂层表面一次。

所述的非反应性气体为氮气或氩气。

有益效果：

1、本发明采用高能微弧合金化技术在金属基体表面制备耐高温氧化的金属间化合物涂层，所得到的涂层与金属基体属于冶金结合。涂层在900℃和1000℃进行高温氧化实验时，作为涂层材料的原铸态金属间化合物会出现氧化膜开裂和剥落现象，而制备成涂层之后，其氧化速率常数能减小一个数量级，最后均能形成连续致密的、粘附性良好而且较薄的Al₂O₃膜，这层氧化膜具有非常好的稳定性和保护性，在实验600h后，没有出现任何缺陷和增厚现象。这表明本发明制备的金属间化合物涂层，不仅可以保留基体金属的高温力学性能，而且抗高温氧化性能大大提高。

2、本发明工艺简单、处理成本低廉。

附图说明

图1为Fe₃Al涂层截面金相照片。