專利名稱：一種應(yīng)用于鎳基合金表面的微晶玻璃涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防護(hù)涂層技術(shù)，具體地說(shuō)，涉及一種應(yīng)用于鎳基合金表面的高溫抗氧化耐腐蝕微晶玻璃涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎳基高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)等各種熱部件所使用的主要材料，同時(shí)，它還在燃?xì)鈾C(jī)輪、火力發(fā)電和原子能工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，這些領(lǐng)域的部分構(gòu)件的使用溫度在不斷提高。尤其是在航空航天領(lǐng)域，為了提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力和經(jīng)濟(jì)效益等，要求增大渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比或推前比，熱端部件的使用溫度要求越來(lái)越高，已經(jīng)達(dá)到高溫合金和單晶材料的極限溫度。以燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件如噴嘴、葉片、燃燒室為例，它們處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中，承受溫度高達(dá)1100°c，已超過(guò)了高溫鎳合金使用的極限溫度(1075°c)。因此，提高鎳基高溫合金部件的耐高溫等性能非常必要。研究發(fā)現(xiàn)，將金屬的高強(qiáng)度、高韌性與陶瓷的耐高溫的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)所制備出的熱障涂層能夠解決上述問(wèn)題。熱障涂層是一層陶瓷涂層，它沉積在粘結(jié)層的表面，對(duì)基底材料起到隔熱作用，使得用其制成的器件(如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片)能在高溫下運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明，熱障涂層在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)在基體金屬溫度不變的情況下可以提高燃?xì)獾臏囟龋瑥亩岣咝屎蛪勖?2)熱障涂層可使冷卻空氣減少，為發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比的提高提供了條件，而發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比的提高可顯著降低燃油消耗；(3)熱障涂層可以減緩熱遷移，減少熱疲勞，同時(shí)具有抗氧化性、耐腐蝕和耐磨損等特點(diǎn)。目前，MCrAH型涂層作為粘結(jié)層在這一領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)MCrAH型涂層的研究也較為活躍。例如，中國(guó)發(fā)明專利CN102115866A公開了一種鎳基高溫合金用NiCrAH涂層，所述涂層滿足下述要求含8wt% -25wt%的Cr、30wt% -40wt%的Al和O. 3wt% -I. 5wt%的Y。該涂層能有效提聞聞溫合金零件的使用壽命，能夠在110CTC以下的環(huán)境中，有效提聞基體的抗氧化性能，在900°C以下，含有Cr的熱腐蝕環(huán)境中，提高基體抗熱腐蝕的性能。中國(guó)發(fā)明專利CN1536033公開了一種NiCoCrAHSiB抗熱腐蝕高溫防護(hù)涂層及其制備方法。所述涂層中各元素的含量為Co 28-35wt. %, Cr :17 23wt. %, Al 5 12wt. %，Y :0. I O. 6wt. %，Si :0. 9 I. Iwt. %，B :0· 02 O. 04wt. %, Ni :余量。采用電弧離子鍍技術(shù)制備這種防護(hù)涂層，所得涂層的抗熱腐蝕及高溫氧化性好，生產(chǎn)效率高。但是，上述涂層的缺點(diǎn)是原料成本高，工藝復(fù)雜，且TGO層的生長(zhǎng)限制了涂層的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一，是提供一種應(yīng)用于鎳基合金表面的微晶玻璃涂層，制備該微晶玻璃涂層的原料組成為30-40質(zhì)量份的二氧化硅，10-15質(zhì)量份的氧化鎂，15-25質(zhì)量份的氧化鋁，10-15質(zhì)量份的二氧化鈦，5-15質(zhì)量份的氧化硼，10-20質(zhì)量份的碳酸鈉或15-25質(zhì)量份的碳酸氫鈉以及O. 5-1. 5質(zhì)量份的鎳。本發(fā)明的目的之二，是提供一種微晶玻璃涂層的制備方法，包括如下步驟(I)原料的準(zhǔn)備 稱取所需原料，研磨后充分混合；(2)原料的熔制將混合原料置于坩堝中，然后放入馬弗爐中升溫至1300-1500°C加熱，得到玻璃熔液，保溫待用；(3)玻璃熔塊的制備將步驟(2)所得玻璃熔液倒入預(yù)熱至500-600°C的鋼板模型中，立即放入溫度為500-6000C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫，得到玻璃熔塊；(4)玻璃料漿的制備將步驟(3)所得玻璃熔塊粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100質(zhì)量份玻璃熔塊計(jì)，加入15-20質(zhì)量份的玻璃粉，25-30質(zhì)量份的去離子水和50-70質(zhì)量份的剛玉球，球磨10-30分鐘，然后加入O. 5-1. 5質(zhì)量份的鎳粉，繼續(xù)球磨得到玻璃料漿，陳化待用；(5)鎳基合金表面的預(yù)處理用砂紙將鎳基合金表面打磨平滑，先用堿水清洗，然后用去離子水清洗，并干燥；(6)玻璃料漿的涂覆將步驟(4)所得玻璃料漿涂覆在步驟(5)所得合金的表面，并干燥；(7)玻璃涂層的核化和晶化處理將步驟(6)所得涂有玻璃料漿涂層的鎳基合金置于馬弗爐中，在1100_1150°C的溫度下加熱4-6min，然后取出轉(zhuǎn)移至300_500°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫得到含有少量微晶的玻璃涂層，再將馬弗爐內(nèi)溫度升至800-850°C，保溫3-5h，進(jìn)行核化和晶化處理，即得所需微晶玻璃涂層。優(yōu)選地，步驟⑵所述的升溫速度為10°C /min。優(yōu)選地,步驟⑵所述的保溫時(shí)間為40_90min。優(yōu)選地,步驟(4)所述球磨罐的轉(zhuǎn)速為200-500轉(zhuǎn)/min,加入鎳粉后的球磨時(shí)間為8-12小時(shí)。優(yōu)選地,步驟(6)所述玻璃料衆(zhòng)涂層的厚度為lmm-1. 5mm。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明所述微晶玻璃涂層的配方和制備方法，原料豐富，成本低，工藝簡(jiǎn)單易行，在鎳基高溫合金表面涂覆的微晶玻璃涂層，可以有效提高基體的抗氧化能力，并且涂層與基體結(jié)合牢固，具有優(yōu)良的保護(hù)性能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)指出的是，下述實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例I(I)用電子天平稱取30g 二氧化硅，IOg氧化鎂，25g氧化鋁，IOg 二氧化鈦，15g氧化硼，IOg碳酸鈉，研磨后充分混合；
(2)將混合原料置于剛玉坩堝中，然后放入馬弗爐中，WV= IO0C /min的升溫速率升溫至1300°C，得到玻璃熔液，保溫90min ；
(3)將步驟(2)所得玻璃熔液倒入預(yù)熱至500°C的鋼板模型中，立即放入溫度為5000C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫，得到玻璃熔塊；(4)將步驟(3)所得玻璃熔塊粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，加入15g玻璃粉，25g去離子水和50g剛玉球,球磨10分鐘,球磨罐的轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/min,然后加入I. 5g鎳粉，繼續(xù)球磨8小時(shí)，得到玻璃料漿，陳化待用；(5)取鎳基高溫合金DZ125，用砂紙將合金表面打磨平滑，用顯微鏡觀察可以看到均勻的條紋；將合金試樣放入60°C的堿水中超聲清洗lOmin，取出再放入80°C的堿水中超聲清洗IOmin后,轉(zhuǎn)移至去離子水中超聲清洗3次共30min,然后干燥；(6)將步驟(5)所得鎳基合金水平固定放置，用細(xì)刷子蘸取玻璃料漿均勻涂覆于鎳合金表面，待水分自然揮發(fā)5min后繼續(xù)刷涂至原始涂層厚度達(dá)到1mm，將所得原始涂層置于半封閉條件下自然干燥15h，再轉(zhuǎn)移至干燥箱中在80°C下繼續(xù)干燥5h。(7)將步驟(6)所得涂有玻璃涂層的鎳基合金置于馬弗爐中，在1100°C的溫度下加熱6min，然后取出轉(zhuǎn)移至500°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫得到含有少量微晶的玻璃涂層，再將馬弗爐內(nèi)溫度升至800°C，保溫5h，進(jìn)行核化和晶化處理，即得所需微晶玻璃涂層。實(shí)施例2(I)用電子天平稱取40g 二氧化硅，15g氧化鎂，15g氧化鋁，IOg 二氧化鈦，5g氧化硼，15g碳酸氫鈉，研磨后充分混合；(2)將混合原料置于剛玉坩堝中，然后放入馬弗爐中，升溫至1500°C，得到玻璃熔液，保溫40min ；(3)將步驟(2)所得玻璃熔液倒入預(yù)熱至600°C的鋼板模型中，立即放入溫度為6000C的馬弗爐內(nèi)，使玻璃熔液隨爐冷卻至室溫，得到玻璃熔塊；(4)將步驟(3)所得玻璃熔塊粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，加入20g玻璃粉，30g去離子水和70g剛玉球,球磨30分鐘,球磨罐的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/min,然后加入O. 5g鎳粉，繼續(xù)球磨12小時(shí)，得到玻璃料漿，陳化待用；(5)取鎳基高溫合金DSM11，用砂紙將合金表面打磨平滑，用顯微鏡觀察可以看到均勻的條紋；將合金試樣放入80°C的堿水中超聲清洗20min，轉(zhuǎn)移至去離子水中超聲清洗3次共30min，然后干燥；(6)將步驟(5)所得鎳基合金水平固定放置，用細(xì)刷子蘸取玻璃料漿均勻涂覆于鎳基合金表面，待水分自然揮發(fā)IOmin后繼續(xù)刷涂至原始涂層厚度達(dá)到I. 5mm，將所得原始涂層自然干燥15h，轉(zhuǎn)移至干燥箱中在80°C下繼續(xù)干燥5h，除去絕大部分水分；(7)將步驟(6)所得涂有玻璃涂層的鎳基合金置于馬弗爐中，在1150°C的溫度下加熱4min，然后取出轉(zhuǎn)移至300°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫得到含有少量微晶的玻璃涂層，再將馬弗爐內(nèi)溫度升至850°C，保溫3h，進(jìn)行核化和晶化處理，即得所需微晶玻璃涂層。實(shí)施例3(I)用電子天平稱取33g 二氧化硅，IOg氧化鎂，15g氧化招，12g 二氧化鈦，IOg氧化硼，20g碳酸鈉，研磨后充分混合(2)將混合原料置于剛玉坩堝中，然后放入馬弗爐中，WV= IO0C /min的升溫速率升溫至1350°C，得到玻璃熔液，保溫60min ；(3)將步驟(2)所得玻璃熔液倒入預(yù)熱至550°C的鋼板模型中，立即放入溫度為550°C的馬弗爐中，隨爐冷卻至室溫，得到玻璃熔塊；(4)將步驟(3)所得玻璃熔塊粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100質(zhì)量份玻璃熔塊計(jì)，加入15質(zhì)量份的玻璃粉,30質(zhì)量份的去離子水和60質(zhì)量份的剛玉球，球磨20分鐘，球磨罐的轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/min，以100質(zhì)量份玻璃熔塊計(jì)，加入I. O質(zhì)量份的鎳粉，繼續(xù)球磨10小時(shí)，得到玻璃料漿，然后陳化待用；(5)取鎳基高溫合金M22，用砂紙將合金表面打磨平滑，用顯微鏡觀察可以看到均勻的條紋；將合金試樣放入70°C的堿水中超聲清洗lOmin，取出再放入85°C的堿水中超聲清洗IOmin后，轉(zhuǎn)移至去離子水中超聲清洗3次，然后干燥；(6)將步驟(5)所得鎳合金水平固定放置，用細(xì)刷子蘸取玻璃料漿均勻涂覆于鎳合金表面，待水分自然揮發(fā)15min后繼續(xù)刷涂至原始涂層厚度達(dá)到I. 2mm，將所得原始涂層置于干燥箱中在100°C下干燥6h ；(7)將步驟(6)所得涂有玻璃涂層的鎳基合金置于馬弗爐中，在1120°C的溫度下加熱5min，然后取出轉(zhuǎn)移至400°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫得到含有少量微晶的玻璃涂層，再將馬弗爐內(nèi)溫度升至820°C，保溫4h，進(jìn)行核化和晶化處理，即得所需微晶玻璃涂層。實(shí)施例4(I)用電子天平稱取30g 二氧化硅，IOg氧化鎂，15g氧化鋁，15g 二氧化鈦，5g氧化硼，25g碳酸氫鈉，研磨后充分混合；(2)將混合原料置于剛玉坩堝中，然后放入馬弗爐中，升溫至1400°C，得到玻璃熔液，保溫80min ；(3)將步驟(2)所得玻璃熔液倒入預(yù)熱至580°C的鋼板模型中，立即放入溫度為600°C的馬弗爐中，隨爐冷卻至室溫，得到玻璃熔塊；(4)將步驟(3)所得玻璃熔塊粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100質(zhì)量份玻璃熔塊計(jì)，加入20質(zhì)量份的玻璃粉，25質(zhì)量份的去離子水和70質(zhì)量份的剛玉球，球磨25分鐘，球磨罐的轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min，以100質(zhì)量份玻璃熔塊計(jì)，加入I. 2質(zhì)量份的鎳粉，繼續(xù)球磨9小時(shí)，得到玻璃料漿，然后陳化待用；(5)取鎳基高溫合金DZ125，用砂紙將合金表面打磨平滑，用顯微鏡觀察可以看到均勻的條紋；將合金試樣放入90°C的堿水中超聲清洗30min，轉(zhuǎn)移至去離子水中超聲清洗3次，然后干燥；(6)將步驟(5)所得鎳基合金水平固定放置，用細(xì)刷子蘸取玻璃料漿均勻涂覆于鎳合金表面，待水分自然揮發(fā)IOmin后繼續(xù)刷涂至原始涂層厚度達(dá)到I. 4mm，將所得原始涂層置于8干燥箱中在80°C下干燥IOh ；(7)將步驟(6)所得涂有玻璃涂層的鎳基合金置于馬弗爐中，在1140°C的溫度下加熱6min，然后取出轉(zhuǎn)移至350°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫得到含有少量微晶的玻璃涂層，再將馬弗爐內(nèi)溫度升至840°C，保溫3. 5h，進(jìn)行核化和晶化處理，即得所需微晶玻璃涂層。
取實(shí)施例1-4涂覆有微晶玻璃涂層的鎳基高溫合金試樣分別經(jīng)800°C熱處理，再取未涂覆微晶玻璃涂層的鎳基高溫合金DZ125試樣,將五種試樣稱量后置于1000°C的通風(fēng)環(huán)境下保溫3h，待自然冷卻后再次稱量，計(jì)算增重量，結(jié)果見表I。表I
^未涂覆實(shí)施例I 實(shí)施例2 實(shí)施例3 實(shí)施例4~ Mijn- (g)2. 7275. 8455. 4789. 3473. 885
~M 加熱后(g)2. 7295. 8,165. 4799. 3493. 885
氧化增重 w (%) O. 07334O. 01711O. 01825O. 02140O
\從表I所示數(shù)據(jù)可以看出，涂覆微晶玻璃涂層后，試樣的氧化增重明顯降低，說(shuō)明本發(fā)明所述微晶玻璃涂層具有良好的抗氧化性能。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于鎳基合金表面的微晶玻璃涂層，其特征在于，制備該微晶玻璃涂層的原料組成為30-40質(zhì)量份的ニ氧化硅，10-15質(zhì)量份的氧化鎂，15-25質(zhì)量份的氧化鋁，10-15質(zhì)量份的ニ氧化鈦，5-15質(zhì)量份的氧化硼，10-20質(zhì)量份的碳酸鈉或15-25質(zhì)量份的碳酸氫鈉以及O. 5-1. 5質(zhì)量份的鎳。
2.—種權(quán)利要求I所述的微晶玻璃涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)原料的準(zhǔn)備 稱取所需原料，研磨后充分混合； (2)原料的熔制 將混合原料置于坩堝中，然后放入馬弗爐中升溫至1300-1500°C加熱，得到玻璃熔液，保溫待用； (3)玻璃熔塊的制備 將步驟⑵所得玻璃熔液倒入預(yù)熱至500-600°C的鋼板模型中，立即放入溫度為500-600°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫，得到玻璃熔塊； (4)玻璃料漿的制備 將步驟(3)所得玻璃熔塊粉碎至60-100目，倒入球磨罐中，以100質(zhì)量份玻璃熔塊計(jì)，加入15-20質(zhì)量份的玻璃粉，25-30質(zhì)量份的去離子水和50-70質(zhì)量份的剛玉球，球磨10-30分鐘，然后加入O. 5-1. 5質(zhì)量份的鎳粉，繼續(xù)球磨得到玻璃料漿，陳化待用； (5)鎳基合金表面的預(yù)處理 用砂紙將鎳基合金表面打磨平滑，先用堿水清洗，再用去離子水清洗，然后干燥； (6)玻璃料漿的涂覆 將步驟(4)所得玻璃料漿涂覆在步驟(5)所得合金的表面，并干燥； (7)玻璃涂層的核化和晶化處理 將步驟(6)所得涂有玻璃料漿涂層的鎳基合金置于馬弗爐中，在1100-1150°C的溫度下加熱4-6min，然后取出轉(zhuǎn)移至300-500°C的馬弗爐內(nèi)，隨爐冷卻至室溫得到含有少量微晶的玻璃涂層，再將馬弗爐內(nèi)溫度升至800-850°C，保溫3-5h，進(jìn)行核化和晶化處理，即得所需微晶玻璃涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微晶玻璃涂層的制備方法，其特征在于，步驟(2)所述的升溫速度為10°C /min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微晶玻璃涂層的制備方法，其特征在于，步驟⑵所述的保溫時(shí)間為40-90min。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微晶玻璃涂層的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述球磨罐的轉(zhuǎn)速為200-500轉(zhuǎn)/min，加入鎳粉后的球磨時(shí)間為8_12小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微晶玻璃涂層的制備方法，其特征在于，步驟(6)所述玻璃料衆(zhòng)涂層的厚度為lmm-1· 5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于鎳基合金表面的微晶玻璃涂層及其制備方法。制備該微晶玻璃涂層的原料組成為30-40質(zhì)量份的二氧化硅，10-15質(zhì)量份的氧化鎂，15-25質(zhì)量份的氧化鋁，10-15質(zhì)量份的二氧化鈦，5-15質(zhì)量份的氧化硼，10-20質(zhì)量份的碳酸鈉或15-25質(zhì)量份的碳酸氫鈉以及0.5-1.5質(zhì)量份的鎳，制備方法包括原料的準(zhǔn)備、原料的熔制、玻璃熔塊的制備、玻璃料漿的制備、鎳基高溫合金表面的預(yù)處理、玻璃料漿的涂覆以及玻璃涂層的核化和晶化處理。本發(fā)明制備微晶玻璃涂層所需的原料成本低，工藝簡(jiǎn)單易行，涂層的高溫抗氧化能力好，而且涂層與基體結(jié)合緊密。
文檔編號(hào)C23D5/00GK102627405SQ20121008952
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者姚樹玉, 陳相田, 韓野 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)