[发明专利]一种CoNiCrAlY涂层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种CoNiCrAlY涂层及其制备方法和应用，具体涉及一种Nb离子注入CoNiCrAlY涂层及其制备方法和应用，属于抗氧化涂层领域。

背景技术

热障涂层广泛应用于航空航天发动机与地面燃气轮机热端金属部件的热防护。典型的热障涂层由氧化钇部分稳定氧化锆（YSZ）陶瓷面层和CoNiCrAlY粘结层构成，热障涂层的高温抗氧化性能主要依靠粘结层。真空等离子体喷涂（VPS）是在真空或一定压力的保护性气氛状态的密闭空间里进行的等离子体喷涂，可在一定程度上避免粉料及基材表面在喷涂过程中发生氧化，提高了涂层的致密性和结合强度。近年来，真空等离子体喷涂技术已经成为制备CoNiCrAlY涂层的重要方法之一。然而，粘结层与陶瓷层界面间形成的热生长氧化膜（TGO）是制约热障涂层服役寿命的关键，CoNiCrAlY涂层之所以具有较好的高温抗氧化性能，关键在于其表面易形成致密、氧扩散系数较低的Al₂O₃保护膜，可有效阻止气相氧向金属基体的传输，而如何形成这层连续致密的保护膜成为国内外学者研究的热点之一。

离子注入技术是一种材料表面改性的高新技术，用能量为100keV量级的离子束入射到材料，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列的物理和化学相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能的变化，实现材料表面性能的优化。Nb离子注入作为高价掺杂，可以促进Al₂O₃膜的形成，且在注入TiAl合金后显著提高其抗氧化性能。例如中国专利CN101768684A公开一种对高温钛合金注入Nb离子进行表面改性以提高其高温性能的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CoNiCrAlY涂层及其制备方法，以提高其高温抗氧化性能。本发明人意识到离子注入技术的独特优点为提高CoNiCrAlY涂层抗氧化性能提供了可能。若通过离子注入技术在CoNiCrAlY涂层表面注入Nb，促进Al₂O₃保护膜的形成，则可提高涂层的高温抗氧化性。

在此，本发明提供一种CoNiCrAlY涂层，所述CoNiCrAlY涂层的表面利用离子注入技术注入Nb离子。经所述Nb离子注入后的CoNiCrAlY涂层具有比喷涂态CoNiCrAlY涂层更好的高温抗氧化性能。

所述Nb离子的注入量优选为10¹⁷-10¹⁸atoms/cm²。

所述CoNiCrAlY涂层的厚度优选为50-120μm。

另一方面，本发明还提供一种所述CoNiCrAlY涂层的制备方法，包括：采用真空等离子体喷涂工艺将CoNiCrAlY合金粉末喷涂到经喷砂处理并洗净的高温合金基材的表面得到喷涂态CoNiCrAlY涂层；以及利用离子注入技术在所述喷涂态CoNiCrAlY涂层的表面注入Nb离子。

本发明所制备的注入Nb离子的CoNiCrAlY涂层与喷涂态的CoNiCrAlY涂层相比，TGO层中α-Al₂O₃的含量更高，(Co,Ni)(Cr,Al)₂O₄尖晶石相的含量更低，抗氧化性能更为优异。

所述真空等离子体喷涂工艺参数优选为：喷枪类型为F4-VB，等离子气体氩气的流量为45-55slpm，等离子气体氢气的流量为7-12slpm，喷涂电流为650-700A，喷涂距离为250-300mm，喷涂室压力为75-125mBar，送粉速率为15-20rpm，送粉载气氩气的流量为2.0-2.5slpm。

所述离子注入工艺参数优选为：脉宽调节时间为450μs，管灯丝电流为79A，一栅负电压为0.74kV，一栅正电压为362V，二栅正电压为1.29kV，负高压电压为30.4kV，负高压电流为4.6mA，本底真空度为4.5×10^-3Pa，注入时间为3600s。

所述CoNiCrAlY合金粉末优选为气雾化的Amdry 995CoNiCrAlY合金粉末。

所述高温合金基材优选为GH3128高温合金基材。

又一方面，本发明还提供所述CoNiCrAlY涂层在高温抗氧化领域的应用。

本发明的经Nb离子注入后的CoNiCrAlY涂层具有比喷涂态CoNiCrAlY涂层更好的高温抗氧化性能，且本发明具有工艺简单、效率高、可重复性好等优点，适合规模化生产和应用。