本发明涉及高温合金防护涂层领域，具体涉及一种镍
铝合金涂层及其制备镍铝合金涂层的方法。
背景技术：
粉末包埋法是将试样埋覆于粉末渗剂中，在规定的时间内进行热扩散处理来获得镍铝合金涂层的方法。固体粉末包埋法也称为包装法，是发展最早且应用最广泛的一种铝化物涂层制备方法。粉末包埋渗铝本质上属于化学气相渗铝，包埋渗剂中通常添加2％到5％的活化剂，活化剂在高温下易分解成卤化氢气体并与Al反应生成金属卤化物，这些金属卤化物呈气态并吸附在试样表层释放出活性Al原子，从而产生镍铝合金涂层。固体粉末包埋渗有以下一些优点：设备要求简单，操作方便，适用于大多数机械零部件，制备出的镍铝合金涂层质量较好，是应用最广泛的方法。
为了进一步提高镍铝合金涂层的抗氧化能力，只靠普通的渗铝层来改善合金表面的氧化膜质量是远远不够的，因此需要对镍铝合金涂层进行改性。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种镍铝合金涂层，提高镍铝合金涂层的抗高温氧化能力。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种镍铝合金涂层，包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉积物、位错缠结、位错环、莫瑞条；所述的涂层由NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒和AlCr沉积物构成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周边设置位错缠结；所述NiAl相周围的晶粒内部设置有析出相；多个析出相周边设置有位错环；相邻NiAl相晶界位置处有若干莫瑞条。
进一步地，所述NiAl相晶粒的粒径在200nm-300nm；Ni2Al3相晶粒的粒径在48-52nm。
本发明的一种制备权利要求1所述的镍铝合金涂层的方法，包括如下步骤：
（1）将渗铝剂按比例充分混合均匀后与需要进行渗铝处理的镍基合金共置于密封的渗灌中，在真空下或惰性气体保护下加热进行渗铝处理；
（2）用清洗剂洗掉表面粘附的粉末，然后对渗铝后的表面进行打磨、抛光处理；
（3）对步骤（2）处理完的合金其进行激光冲击强化。
进一步地，所述在合金表面进行激光强化冲击，冲击功率是10kw，冲击次数为2-4次，光斑直径4mm，搭接率50%，采用铝箔为保护层，2mm层厚水为约束层。
进一步地，步骤（1）中渗铝剂按照重量百分比计包括如下组分：Cr 12wt.%、Pd 1.5 wt.%、Al 24.5wt.%、NH4Cl 3.2wt.%、AlCr合金粉18wt.%、Y2O3 3.8wt.%、Al2O3余量。
本发明的有益效果：通过本发明的方法，镍铝合金涂层表面的氧化膜有细化作用，有助于抑制氧化膜和基体内部TCP的生长速度，延缓氧化物的相变时间，对于提高氧化膜的粘结强度具有较好的效果，因此激光冲击可以提高镍铝合金涂层的抗高温氧化能力。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为渗铝涂层变形与位错的表面微观结构；
图2为渗铝涂层变形与位错运动表面微观结构；
图3为渗铝涂层NiAl相的表面微观结构；
图4为渗铝涂层NiAl相电子衍射的表面微观结构；
图5为渗铝涂层莫瑞条纹的表面微观结构；
图6为莫瑞条纹电子衍射图。
图7为渗铝涂层位错墙、位错胞和位错缠结的微观结构；
图8为渗铝涂层错为运动的微观结构；
图9为渗铝涂层晶粒细化的微观结构；
图10为渗铝涂层位错整列的微观结构；
图11为试样a的渗铝涂层在800°C-1100℃下氧化动力学曲线；
图12为试样b的渗铝涂层在800°C-1100℃下氧化动力学曲线；
图13为800℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图14为900℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图15为1000℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图16为1100℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图17为800℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图18为900℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图19为1000℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图20为1100℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面物相分析；
图21为800℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图22为900℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图23为1000℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图24为1100℃时试样a渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图25为800℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图26为900℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图27为1000℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图28为1100℃时试样b渗铝涂层氧化100h表面形貌；
图29为800℃时试样a渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图30为900℃时试样a渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图31为1000℃时试样a渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图32为1100℃时试样a渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图33为800℃时试样b渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图34为900℃时试样b渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图35为1000℃时试样b渗铝涂层氧化100h截面形貌；
图36为1100℃时试样b渗铝涂层氧化100h截面形貌。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，为本发明的一种镍铝合金涂层，包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉积物、位错缠结、位错环、莫瑞条；所述的涂层由NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒和AlCr沉积物构成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周边设置位错缠结；所述NiAl相周围的晶粒内部设置有析出相；多个析出相周边设置有位错环；相邻NiAl相晶界位置处有若干莫瑞条。所述NiAl相晶粒的粒径在200nm-300nm；Ni2Al3相晶粒的粒径在48-52nm。
实施例2
本发明的一种制备权利要求1所述的镍铝合金涂层的方法，包括如下步骤
（1）将渗铝剂按比例充分混合均匀后与需要进行渗铝处理的镍基合金共置于密封的渗灌中，在真空下或惰性气体保护下分段加热进行渗铝处理；第一段加热至800℃，保温6h，第二段加热至900℃，保温1h，然后随炉冷却至室温取出试样；两段加热过程中的升温速率均为7-12℃/min；渗铝剂按照重量百分比计包括如下组分：Cr 12wt.%、Pd 1.5 wt.%、Al 24.5wt.%、NH4Cl 3.2wt.%、AlCr合金粉18wt.%、Y2O3 3.8wt.%、Al2O3 余量。
（2）用清洗剂洗掉表面粘附的粉末，然后对渗铝后的表面进行打磨、抛光处理；
（3）对步骤（2）处理完的合金其进行激光冲击强化。
本发明在合金表面进行激光强化冲击，冲击功率是10kw，冲击次数为2-4次，光斑直径4mm，搭接率50%，采用铝箔为保护层，2mm层厚水为约束层。
本实施例制得的镍铝合金涂层，通过透射电镜观察其表面微观结构如图1-6所示。从图中可以看出涂层晶粒基本都处于纳米尺度，NiAl相晶粒在200nm-300nm，还可能更大晶粒，Ni2Al3相晶粒尺寸大约在50nm左右。经过激光冲击后的涂层表面只有少量的晶粒产生了变形，如图1所示，在变形的晶界边缘发现有少量的位错。NiAl相虽然为脆性材料，变形很小，但是经激光仍然可以看出位错在其中的运动的过程，如图2，从图中可以看出，位错运动的途径有两个：一个是沿着晶界运动，当遇到其它晶界时受阻产生积塞；另外就是在晶体内部运动，当运动到另一边晶界时产生积塞。从多个方向运动而来的位错，在晶界的某个位置积塞形成了位错缠结。同时还发现位错运动时受到一些析出相的阻碍，形成了沿着析出相周边的位错包裹现象，产生了位错环。根据图4电子衍射标定所示，图3为NiAl相，由于受到等离子体冲击波的影响，晶体产生了较小的变形，在晶体内部和晶界上存在少量的位错。在该NiAl相周围的晶粒内部发现有少量的析出相，尺度大约在20-30nm左右，另外也有少量的变形和位错存在。在相邻NiAl相晶界位置处发现有大量的莫瑞条，如图5所示，这主要是由于上下两个晶体重叠造成的。根据图6所标定的显示，存在有两套斑点，其中一套斑点的间距是另一套斑点的两倍，这是NiAl相和Ni3Al相产生了共格。
本发明对涂层下方的GH202基体进行透射电镜分析，如图7-10所示。图中本发明的基体产生了高密度的位错，如图7所示。本发明的基体发生了塑性变形，导致位错运动在晶界积塞，形成了位错墙和位错缠结。在位错运动过程中受到某一析出相的阻碍形成了位错环。这些晶体缺陷的产生阻碍了位错的运动，提高了材料的力学性能。GH202内部的位错呈相互平行的运动趋势，如图8所示，形成了一些穿过晶体的孪晶，当位错运动到晶界位置，产生堆积，形成高密度的位错缠结，增加了位错进一步滑移的阻力。由于位错的运动不同，当多个位错从不同方向运动到某一位置相互交错，使晶体产生了细化，形成了尺寸约为100nm左右的小晶体，如图9所示。在如图10中晶粒细化尤为明显，另外还发现在有位错阵列的存在，在阵列中间还存有高密度的位错缠结。以上现象说明采用本发明的方法制备的镍铝合金涂层，实现对基体的强化，有利于提高涂层和合金的抗高温氧化性能。
实施例3
选取试样a和试样b，试样a采用传统方法制备的镍铝合金涂层，试样b采用本发明的方法制备的镍铝合金涂层。
将试样a和试样b在800℃-1100℃下进行恒温氧化性能的测试，根据实验中试样重量的变化，绘制出两种试样各温度下氧化动力学曲线。试样a的渗铝涂层在氧化初期，单位面积上的增重量呈快速上升的趋势，随着高温氧化持续进行，其氧化增重速度逐渐减缓，如图11所示。随着氧化温度的升高，涂层氧化增重也随之增加，在1100 ℃条件下试样增重尤为明显。从图中可以发现，在1000 ℃和1100℃下试样有所减重，这是由于在高温下氧化膜发生剥落造成。图12显示的是试样b在各温度下氧化增重变化情况，可以看出其氧化增重要明显低于未冲击的试样，且在1000 C下并未发现有增重减少的现象，而1100 ℃增重略有降低，说明试样b在1100℃氧化100h后也发生了氧化膜脱落的现象，但是其减重的程度要比试样a要小。由此可以看出，渗铝试样在氧化初期生成Al2O3氧化膜，使试样重量增加较为显著，随着氧化的持续进行，涂层表面连续而致密的Al2O3薄膜阻碍了氧的进一步渗透，具有较好的保护作用。本发明的方法能够促进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渗透，从而使合金增重量较低，说明本发明的方法改善渗铝涂层的高温抗氧化性能。
对试样a和试样b进行了X射线衍射分析，从图13-20所示，图中可以看出渗铝涂层试样在800℃氧化后表面氧化膜的主要成分为α-Al2O3、，θ-Al2O3,由于氧化膜厚度较薄，还检测出NiAl、Ni2Al3和基体。比较图13和17两图不难发现，试样b的NiAl和基体的峰值比试样a要强，说明本发明的涂层所生成的氧化膜相对较薄，其氧化膜的生长速率较为缓慢。涂层在900℃下氧化100小时后，表面氧化膜的仍然是由α-Al2O3，θ-Al2O3组成，Ni2Al3的峰几乎消失，这是由于长时间在高温下发生了相变，生成了NiAl相；在1000℃氧化100h后在试样b上发现有少量的Cr2O3（图15所示），说明表面的Al2O3薄膜发生了一定程度的剥落，而未冲击的试样则没有发现Cr2O3的出现，表面氧化膜主要由α-Al2O3组成，伴随有少量的θ-Al2O3（图19所示）；试样a和b在1100℃氧化100h后，均发生了大片的剥落现象，产生了大量的Cr2O3和少量的TiO2和尖晶石NiCr2O4。比较试样a和b的峰值，试样a生成的Cr2O3明显要多一些，表明了本发明的涂层有助于抑制Cr2O3的生长，延缓Cr元素向外扩散。
通过扫描电镜观察试样a和b表面氧化膜形貌。从图中可以看出在800℃氧化100h后氧化膜非常致密主要是呈针状的θ-Al2O3和少量的块状的α-Al2O3。比较试样a和b，不难发现试样b表面氧化膜更加致密（如图21、22所示）；随着温度的升高，试样在900℃氧化100h后，试样a氧化膜中针状的θ-Al2O3和α-Al2O3长大比较明显，氧化膜略显的较为疏松，而试样b表面氧化膜，仍显得较为致密，θ-Al2O3和α-Al2O3的尺度相对较小（如图23、24所示）；在1000℃氧化100h后，试样a表面氧化膜发生较大面积的脱落，氧化膜形成了多个小的凹坑，而试样b的氧化膜中的Al2O3尺度有了较为明显的长大，但是相比较前者仍显得致密许多（25、26图所示）；在1100℃下氧化100小时后，试样a涂层氧化膜出现了大片的剥落区域，氧化膜中Al2O3含量较少，而试样b氧化膜保持的较为完整，只是α-Al2O3颗粒长大较为明显，θ-Al2O3已经消失了，同时还发现氧化膜表面出现了少量的Cr2O3和TiO2。由此说明试样b氧化性能要优于试样a，这主要本发明的方法对于渗铝表面氧化膜有一种细化作用，能够抑制Al2O3的生长，延缓氧化膜的相变时间，从而对基体起到了一种更好的保护作用。
试样a和b在800-1100℃氧化100h后截面形貌如图29-36所示，经800℃氧化100h后截面形成三层结构，在表面层形成了一层薄薄的致密连续的氧化膜，根据XRD分析可知主要是Al2O3，中间一层为NiAl涂层，在涂层的下方为内扩散层（Inter-diffusion Zone），如图29和30所示。随着氧化温度的升高，在900℃氧化100h后试样a仍为三层结构，最外层的氧化膜厚度生长较为明显，而试样b的渗铝涂层氧化膜呈现为两层结构，外层为Al2O3薄膜，内层为Cr2O3薄膜，外层稍厚，而内层非常致密，对基体起到了双重的保护作用。氧化膜下方的内扩散区域明显变厚，说明本发明的方法有助于Al元素的向内扩散，如图31和32所示。在1000℃氧化100h后试样a的渗铝试样截面已看不出三层结构，此时氧化膜变得较为疏松，伴随有许多裂纹和大块的剥落区域的出现，且在基体内部发生了一定程度的内氧化，同时伴随有粗大条状的TCP相析出，如图33所示。而试样b其氧化膜的上部也出现了疏松和剥落现象，析出犹如针状的TCP相，氧化膜下方也出现的内氧化现象，相比较前者要轻了许多，如图33所示。在1100℃氧化100h后，试样a表面氧化膜剥落较为严重，合金基体沿着晶界的内氧化深度大约为50μm，而试样b的表面氧化膜更厚，分为两层，外层薄而疏松，带有气孔，内层厚而致密，对基体合金仍具有一定的保护作用。内氧化的程度有多加剧，析出TCP变多，长大较为明显。由此可以看出，本发明的方法对于渗铝涂层表面的氧化膜有细化作用，有助于抑制氧化膜和基体内部TCP的生长速度，延缓氧化物的相变时间，对于提高氧化膜的粘结强度具有较好的效果，可以提高渗铝涂层的抗高温氧化能力。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。
技术特征：
1.一种镍铝合金涂层，其特征在于：包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉积物、位错缠结、位错环、莫瑞条；所述的涂层由NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒和AlCr沉积物构成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周边设置位错缠结；所述NiAl相周围的晶粒内部设置有析出相；多个析出相周边设置有位错环；相邻NiAl相晶界位置处有若干莫瑞条。
2.根据权利要求1所述的一种镍铝合金涂层，其特征在于：所述NiAl相晶粒的粒径在200nm-300nm；Ni2Al3相晶粒的粒径在48-52nm。
3.一种制备权利要求1所述的镍铝合金涂层的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将渗铝剂按比例充分混合均匀后与需要进行渗铝处理的镍基合金共置于密封的渗灌中，在真空下或惰性气体保护下加热进行渗铝处理；
（2）用清洗剂洗掉表面粘附的粉末，然后对渗铝后的表面进行打磨、抛光处理；
对步骤（2）处理完的合金其进行激光冲击强化。
4.根据权利要求3所述的制备镍铝合金涂层的方法，其特征在于：所述在合金表面进行激光强化冲击，冲击功率是10kw，冲击次数为2-4次，光斑直径4mm，搭接率50%，采用铝箔为保护层，2mm层厚水为约束层。
5.根据权利要求3所述的制备镍铝合金涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中渗铝剂按照重量百分比计包括如下组分：Cr 12wt.%、Pd 1.5 wt.%、Al 24.5wt.%、NH4Cl 3.2wt.%、AlCr合金粉18wt.%、Y2O3 3.8wt.%、Al2O3 余量。
技术总结
本发明公开了一种镍铝合金涂层，包括NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒、AlCr沉积物、位错缠结、位错环、莫瑞条；所述的涂层由NiAl相晶粒和Ni2Al3相晶粒构成；NiAl相晶粒、Ni2Al3相晶粒晶界周边设置位错缠结；所述NiAl相周围的晶粒内部设置有析出相；多个析出相周边设置有位错环；相邻NiAl相晶界位置处有大量的莫瑞条。本发明的镍铝合金涂层采用等离子喷涂后进行激光强化处理，提高镍铝合金涂层的抗高温氧化能力。
技术研发人员：曹将栋;张晓健;曹雪玉;姜伯晨
受保护的技术使用者：江苏航运职业技术学院
技术研发日：2019.07.10
技术公布日：2019.09.20
声明：
“镍铝合金涂层及其制备镍铝合金涂层的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：江苏航运职业技术学院
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2024年08月08日 ~ 10日 
