一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層及其制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

1.本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

2.高溫合金憑借優(yōu)異的抗氧化和抗熱腐蝕性能在航空發(fā)動機、汽車發(fā)動機、燃氣輪機、核電、石油化工等眾多領(lǐng)域廣泛應用。在眾多應用領(lǐng)域中，航空航天仍然占據(jù)最重要地位，占需求總量的55％，其次是電力行業(yè)，占比達20％。然而，由于傳統(tǒng)ni基高溫合金熔點的限制，其承溫能力的提升極為有限，因此，研發(fā)具有更高承溫能力的高溫結(jié)構(gòu)材料是航空航天的重點研究方向。co基合金與ni基合金相比，具有較高的初熔溫度(約1495℃)、更好的抗熱腐蝕和耐磨損性能。一般來講，co基合金粉末具有比fe基、ni基高溫合金更優(yōu)越的高溫性能。因此，為了使航空發(fā)動機零部件免受高溫腐蝕和高溫氧化，提高合金的穩(wěn)定性，研發(fā)新型的co基高溫合金很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

3.本發(fā)明提供了一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層及其制備方法，旨在廉價的q235表面制備符合耐高溫抗氧化要求的大面積、且與q235基體結(jié)合良好的低成本的co基合金涂層。

4.本發(fā)明具體是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

5.一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層，該涂層元素成分按質(zhì)量百分數(shù)包括：1.16wt％的c、30.19wt％的cr、1.09wt％的si、2.50wt％的ni、2.54wt％的fe、0.15wt％的mo、4.47wt％的w、0

?

1wt％的y2o3，余量為co。

6.進一步地，所述涂層元素成分按質(zhì)量百分數(shù)包括：1.16wt％的c、30.19wt％的cr、1.09wt％的si、2.50wt％的ni、2.54wt％的fe、0.15wt％的mo、4.47wt％的w、0.5wt％的y2o3，余量為co。

7.進一步地，所述涂層元素原料粉末均為100

?

150目。

8.加入si和mo主要為了增加合金的流動性，提高鑄造性能，同時加強熔體脫氧作用并有利于控制s的含量。si的加入對高溫合金氧化行為的影響是正面的，si的加入抑制了金屬離子向外擴散和氧離子向內(nèi)擴散，si的存在促進了cr2o3的成核，因此可以快速形成連續(xù)的cr2o3保護層。w固溶于基體中起到固溶強化作用，使合金具有更高的高溫強度。cr的添加可增加合金的氧化性能。

9.稀土或稀土氧化物可以增強合金氧化膜的黏附性和致密性，細化晶粒，并且是晶界和枝晶間強化元素，從而顯著提高合金的綜合性能。因y2o3含稀土元素y，故既可強化合金，又可大幅度改善合金的抗氧化性能。因此在co基高溫合金中添加y2o3可以提高涂層的耐蝕性和抗高溫氧化性能。

10.本發(fā)明人在實驗過程中得出，合理的添加y2o3對于co基高溫合金涂層的耐蝕性和抗高溫氧化性能是有利的，適量的y2o3有利促進晶粒細化，以及提高了氧化皮的粘附性和抗剝落性，從而提高涂層的高溫抗氧化性能。但是過高的y2o3反而會粗化晶粒，以及在高溫氧化過程中多余的y2o3會和cr2o3生成ycro3，會使氧化層抗剝落性能惡化，從而降低涂層的高溫抗氧化性能?？紤]到新型co高溫合金涂層的綜合性能，添加的y2o3的含量不宜過高，因此將y2o3的含量確定為0.5wt.％。

11.進一步地，所述涂層的制備方法為等離子熔覆技術(shù)。

12.進一步地，所述等離子熔覆技術(shù)工藝參數(shù)為：工作電流為90

?

95a，等離子氣體流量為1.5

?

2l/min，送粉轉(zhuǎn)速為8

?

9r/s，保護氣體流量為4

?

10l/min，焊接速度3

?

4mm/s，遞進距離2.5

?

3mm，送粉氣體流量2

?

2.5l/min。

13.與其他技術(shù)相比，等離子熔覆技術(shù)具有如下優(yōu)點：熔覆層組織均勻，孔隙率低，稀釋率低；對工件尺寸、形狀以及場地無特定要求；適用材料廣泛，可用于微霧化鎳、鈷、鐵或銅基粉末；設備簡單、容易自動化，操作便捷，生產(chǎn)效率高等，能量集中、效率高。

14.進一步地，所述等離子熔覆使用的設備為等離子弧粉末堆焊機，型號為dml

?

03ad。

15.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

16.本發(fā)明通過等離子熔覆技術(shù)在q235表面制備大面積的鈷基高溫合金涂層，試驗后最優(yōu)的工藝參數(shù)在基體表面堆焊熔覆。添加了y2o3的涂層中y2o3顆?？梢宰鳛檠趸锾貏e是cr2o3的成核中心，從而促進cr2o3的形成。在y2o3含量為0.5wt％的合金中，在氧化循環(huán)中形成了更多的尖晶石氧化物，即nicr2o4和cocr2o4，而尖晶石氧化物的存在降低了氧化速率。此外，y2o3的添加提高了氧化皮的粘附性和抗剝落性，貧cr區(qū)減少。本發(fā)明制備得到的新型co基高溫合金涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性、耐蝕性。

附圖說明

17.圖1是等離子熔覆過程示意圖。

18.圖2采用等離子熔覆技術(shù)在q235上堆焊的矩形新型co基高溫合金涂層。

19.圖3是加入0.5wt％y2o3的co基高溫合金涂層的截面sem圖。

20.圖4是未加入y2o3、加入0.5wt％y2o3和加入1wt％y2o3的co基高溫合金涂層的近表面sem圖。

21.圖5是未加入y2o3、加入0.5wt％y2o3和加入1wt％y2o3的co基高溫合金涂層的極化曲線。

22.圖6是未加入y2o3、加入0.5wt％y2o3和加入1wt％y2o3的co基高溫合金在1000℃循環(huán)氧化下的增重曲線和(g

+

)2和氧化時間的關(guān)系圖。

23.圖7是未加入y2o3、加入0.5wt％y2o3和加入1wt％y2o3的co基高溫合金在1000℃循環(huán)氧化下的截面sem圖。

24.圖8是未加入y2o3、加入0.5wt％y2o3和加入1wt％y2o3的co基高溫合金在1000℃循環(huán)氧化下的xrd圖譜。

具體實施方式

25.為使本發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)

方案進行更進一步描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。

26.實施例

27.一種抗腐蝕、抗高溫氧化的co基高溫合金涂層，成分如表1所示：

28.表1：co基合金涂層成分

[0029][0030]

避免粉末中可能含有的水分影響涂層質(zhì)量，因此將混合均勻的粉末放入真空干燥箱進行烘干，溫度為110℃，時間120min后待用。

[0031]

采用等離子弧粉末堆焊機，型號為dml

?

03ad。在等離子熔覆過程中，送粉方式為同步送粉。主要步驟如下：第一步，將配比好的co基粉末原料和摻雜的y2o3粉末進行均勻化處理，在烘箱中烘干，待用；第二步，等離子熔覆新型co基涂層工藝參數(shù)的優(yōu)化；第三步，以優(yōu)化工藝為基礎(chǔ)，進行適當?shù)恼{(diào)整實驗參數(shù)，制備新型co基涂層；第四步，將得到的熔覆涂層組織進行表征表征；第五步，實驗結(jié)果反饋，調(diào)整合適熔覆工藝參數(shù)。得出的較優(yōu)熔覆工藝參數(shù)如表2所示：

[0032]

表2：熔覆參數(shù)

[0033][0034]

采用的等離子熔覆示意圖見圖1。

[0035]

等離子熔覆后，用線切割將涂層從基體上剝離，切成5

×5×

3mm和10

×

10

×

3mm大小的樣品，將每種成分的涂層用240#、800#、1200#、2000#砂紙將樣品6個表面打磨光潔。再進行xrd、sem、eds檢測分析。圖3是加入0.5wt％y2o3的co基高溫合金涂層的截面sem圖，可以看出涂層與基體結(jié)合緊密，無空洞和間隙，說明涂層制備工藝和參數(shù)可行。本發(fā)明中涂層的稀釋率都在9％

?

20％之間，稀釋率適中，熔覆層與基體的結(jié)合性能良好，能與q235基體冶金結(jié)合，熔覆層不會被基體過度稀釋，涂層性能良好。

[0036]

本發(fā)明中添加0.5wt％y2o3后涂層中部的組織得到細化，晶粒細化可以改善涂層的力學性能，以及添加的稀土y的離子半徑大，在氧化物內(nèi)的溶解度低，容易在晶界或界面發(fā)生偏聚。偏聚于界面的稀土y可減少s、p，c等雜質(zhì)在界面的聚集，從而使界面凈化而提高界面結(jié)合強度，所以添加0.5wt％y2o3的涂層表面較致密。

[0037]

按照電化學測試標準將試樣切割為10

×

10

×

3mm的塊體，在塊體表面焊上20cm的銅導線，經(jīng)過環(huán)氧樹脂密封，其中環(huán)氧樹脂要蓋住暴露出外面的銅線，再經(jīng)過打磨

?

拋光后

制成電化學腐蝕式樣。采用cs150電化學工作站對式樣進行腐蝕性能測試，以甘汞電極(sce)作為參比電極，pt為對電極，試樣為工作電極，采用常溫3.5％nacl溶液作為電解液，對涂層進行電化學腐蝕實驗。在極化曲線開始測量前，將試樣在腐蝕溶液中浸泡至開路自腐蝕電位穩(wěn)定，實驗過程中掃描速率為0.5mv/s，掃描范圍為

?

2v～+2v。

[0038]

本發(fā)明中添加y2o3后涂層的耐腐蝕性都有所提高，其中作為本發(fā)明中的新型co基高溫合金涂層的電化學腐蝕中，其中添加了0.5wt％y2o3的新型co基高溫合金涂層的極化電阻是未添加co基高溫合金涂層的4.4倍。腐蝕參數(shù)如下表：

[0039]

表3：腐蝕參數(shù)

[0040][0041]

本發(fā)明的循環(huán)氧化實驗根據(jù)hb5258

?

2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》完成。實驗過程中將涂層及坩堝置于高溫爐中分別進行1000℃高溫循環(huán)氧化實驗，每隔10h取出稱重后放回高溫爐進行下一次氧化，氧化增重結(jié)果按照hb5258

?

2000標準處理。根據(jù)循環(huán)氧化實驗結(jié)果，制備好的涂層的循環(huán)氧化增重如圖6，可以看出涂層的增重遵循拋物線規(guī)律，以及涂層的(g

+

)2與時間t的關(guān)系圖?？梢钥吹教砑?.5wt％y2o3的新型co基涂層的氧化性能最好。

[0042]

圖7為涂層的氧化截面圖，在添加0.5wt％y2o3涂層中y2o3顆?？梢宰鳛檠趸锾貏e是cr2o3的成核中心，從而促進cr2o3的形成。從圖可以看出，在y2o3含量為0.5wt％的合金中，在氧化循環(huán)中形成了更多的尖晶石氧化物，即nicr2o4和cocr2o4。結(jié)果表明，尖晶石氧化物的存在降低了氧化速率。此外，y2o3的添加提高了氧化皮的粘附性和抗剝落性，貧cr區(qū)減少。而在添加1wt％y2o3涂層中，抗氧化性能反而降低是因為在涂層中添加足夠量的y2o3后進行高溫氧化會生成ycro3，ycro3在基體相晶粒上產(chǎn)生壓應力(xrd分析中沒有發(fā)現(xiàn)ycro3峰，因為當多相混合物中該相溶度低于xrd檢測的極限，所以在xrd上沒有峰)，隨著應力的積累，氧化皮有開裂和剝落的趨勢，所以導致涂層抗氧化性惡化。故而選擇添加0.5wt％y2o3的新型co基涂層性能最好。

[0043]

以上所描述的實施例僅為本發(fā)明優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種變化和更改，凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層，其特征在于，該涂層元素成分按質(zhì)量百分數(shù)包括：1.16wt％的c、30.19wt％的cr、1.09wt％的si、2.50wt％的ni、2.54wt％的fe、0.15wt％的mo、4.47wt％的w、0

?

1wt％的y2o3，余量為co。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層，其特征在于，所述涂層元素成分按質(zhì)量百分數(shù)包括：1.16wt％的c、30.19wt％的cr、1.09wt％的si、2.50wt％的ni、2.54wt％的fe、0.15wt％的mo、4.47wt％的w、0.5wt％的y2o3，余量為co。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層，其特征在于，所述涂層元素原料粉末均為100

?

150目。4.如權(quán)利要求1

?

3任一項所述抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層的制備方法，其特征在于，所述涂層的制備方法為等離子熔覆技術(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層的制備方法，其特征在于，所述等離子熔覆技術(shù)工藝參數(shù)為：工作電流為90

?

95a，等離子氣體流量為1.5

?

2l/min，送粉轉(zhuǎn)速為8

?

9r/s，保護氣體流量為4

?

10l/min，焊接速度3

?

4mm/s，遞進距離2.5

?

3mm，送粉氣體流量2

?

2.5l/min。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述抗腐蝕、抗高溫氧化的新型co基高溫合金涂層的制備方法，其特征在于，所述等離子熔覆使用的設備為等離子弧粉末堆焊機，型號為dml

?

03ad。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種抗腐蝕、抗高溫氧化的新型Co基高溫合金涂層及其制備方法。采用等離子熔覆技術(shù)在Q235上制備Co基和本發(fā)明新型Co基涂層，通過計算稀釋率、電化學實驗和氧化實驗來對比涂層的性能。結(jié)果表明添加0.5wt％Y2O3的新型Co基高溫合金涂層的耐蝕性遠高于未添加Y2O3的Co基高溫合金涂層。在1000℃條件下進行循環(huán)氧化，添加了0.5wt％Y2O3的Co基高溫合金涂層的氧化層致密，具有優(yōu)良的保護性，因此本發(fā)明制備的新型Co基高溫合金涂層具有良好的高溫抗氧化性能和耐腐蝕性。的高溫抗氧化性能和耐腐蝕性。的高溫抗氧化性能和耐腐蝕性。

技術(shù)研發(fā)人員：彭文屹 鮑蓉蓉 鄧曉華 史雄濤 劉宗佩 于思琪 王譽慶 高安瀾 馬嘉美 孫祖祥

受保護的技術(shù)使用者：南昌大學

技術(shù)研發(fā)日：2021.07.29

技術(shù)公布日：2021/11/28