[发明专利]一种制备MCrAlY热障涂层的新工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种MCrAlY热障涂层的制备工艺，尤其涉及一种制备MCrAlY热障涂层的新工艺。

背景技术

工业燃气轮机在过去几十年中取得了突飞猛进的发展，主要体现在工业燃气轮机不断提高的燃烧温度和热机效率这两个方面。而这一切主要归功于材料的发展，尤其是燃机叶片材料和涂层材料的发展。

目前，大部分燃机叶片材料采用镍基高温合金，镍具有较高熔点、合金基体韧性好、高温下组织稳定及综合性能突出的优势。然而，随着航空和工业燃气轮机技术的进一步发展，热端部件的使用温度要求越来越高，很多已经达到甚至超过高温合金和单晶材料的熔点。以燃料轮机的受热部件(如喷嘴、叶片、燃烧室)为例，其在日常工作中承受的温度高达1100℃，已超过了高温镍合金使用的极限温度1075℃，特别是F、H级燃机(极限温度为1200～1400℃)，其燃烧温度已经远高于镍合金的熔点，在这种情况下，热障涂层的应用显得尤为重要。

热障涂层由陶瓷镀层、金属粘结层和热生长层组成，热障涂层沉积在高温合金的表面，具有一定的厚度和耐久度。热障涂层对基体材料起到了隔热作用，可降低基体的温度，提高基体的抗高温氧化、抗腐蚀和抗磨损性能，使得高温合金叶片能够在其熔点以上的高温环境中使用，进一步提高了高温合金的使用温度。因此，热障涂层技术已经成为近些年来国际高温涂层领域最活跃的研究课题之一。

MCrAlY/YSZ热障涂层是最广泛应用的工业燃机涂层，它主要通过大气等离子喷涂(APS)或者电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备。其中，大气等离子喷涂是使用粉末作为涂层原料，利用阳极(喷嘴)和阴极(电极)之间点燃高频电弧，将涂层材料溶化与等离子气体羽流射向靶机体形成涂层的一种工艺。但是，通过APS制备的涂层组织呈片层状、空洞较多、抗热振性能差，容易导致涂层提前剥落，致使叶片失效，影响燃机的正常运转。而EB-PVD是在真空环境下，利用高能量密度的电子束加热待蒸发材料，使其达到熔融气化状态，并在偏转磁场作用下蒸发至基材上凝结成涂层的工艺。由EB-PVD制备的涂层结合力强，抗形变能力强，但是其沉积速率低，尺寸要求不能太大，成本高，阻碍了这项工艺的进一步推广适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、制备效率高、使用寿命长、成本低的制备MCrAlY热障涂层的新工艺，能够有效避免产生片层结构、减少孔隙率、提高涂层与基体的结合力、镀层表面光洁、厚度均匀且易于控制，应用于各种尺寸的工件，可适用于大规模生产。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种制备MCrAlY热障涂层的新工艺，其特征在于具体包括以下步骤：

⑴前期预处理：

①配置电镀液：电镀液中Ni离子、SO₄离子、Cl离子的摩尔比为5：4：1，其余为添加剂。电镀液是以Ni离子为主的电解质(如NiSO₄或NiCl₂)，具体可根据涂层成分和厚度的具体要求，选择合适的电解液配方；

②清洗待电镀工件以去除待电镀工件表面的杂质和氧化物；

③将清洗后的待电镀工件表面进行打磨、抛光，以增加镀层的结合力；

⑵电镀：

①制备CrAlY粉末：Cr、Al、Y元素的质量百分比为：Cr：50～70wt％、Al：30～40wt％、Y：2～3wt％，wt％为质量百分比，将Cr、Al、Y元素融化成一体，固化后得到CrAlY颗粒，将CrAlY颗粒研磨成CrAlY粉末；

Cr、Al、Y元素的具体配比是利用理论计算(根据化学式和成分配比，计算所需要的各种元素的含量)和实验(化学实验测量生成物的配比是否达到需要的要求，再调整，使其成分与预期一致)相结合的方法来确定Cr、Al、Y等元素的配比。

②将待电镀工件与电源的负极相连，将纯镍棒与电源的正极相连，再将待电镀工件和纯镍棒一起插入电解槽中；

③将由步骤⑵①制得的CrAlY粉末溶于由步骤⑴①制得的电镀液中，充分搅拌均匀后再一起加入电解槽中，并使含有CrAlY粉末的电镀液浸没待电镀工件；

④调整电解槽的温度和PH值，选择电压和电流密度，打开电源进行电镀，获得电镀半成品；

可根据电镀的具体要求，如镀层厚度、工件大小、电沉积速率等参数，选择合适的电压与电流(与待电镀工件的大小有关)。

⑶后期热处理：将电镀半成品放入真空炉中，向真空炉中充入保护气体，并加热直至电镀半成品完成扩散和相变，获得电镀成品。