真空电弧镀沉积NiCrAlY涂层工艺

HEATS

1　前言
　　高推比发动机压气机叶片将使用钛合金,钛合金比强度高^［1］、耐蚀性好,但在550℃以上会出现溶氧脆化现象^［2］。为了提高叶片的使用寿命,必须对其进行涂层防护。NiCrAlY涂层抗氧化、抗热腐蚀性能好,具有良好的热稳定性和较高的韧性,是目前应用最为广泛的高温防护涂层^［3～7］。国外有人用离子溅射镀的方法在TiAl金属间化合物上沉积FeCrAlY涂层^［8］，国内也有研究人员采用磁控溅射的方法在TiAl金属间化合物上沉积CoCrAlY和NiCrAlY涂层^［9］，但涂层与基体间存在缺陷。本工作采用真空电弧镀方法制备NiCrAlY涂层,本文将对其工艺进行研究。

2　试验方法
　　试验用的材料为经1010℃锻造的Ti60(Ti5Sn2Zr6Al)合金和经1150℃锻造的Ti₃Al(Ti24Al15Nb1.5Mo) 合金,试样大小为1.5mm×10mm×30mm(文章中未注明的材料均为Ti60合金),经500目的水砂纸最终打磨,无水乙醇超声清洗,冷风吹干。涂层制备采用DH-700型真空多弧镀膜机,靶材是Ni20Cr13Al1Y。沉积工艺参数为:底真空5×10^－3Pa,轰击偏压600～800V,轰击电流60～70A,时间5～10min;沉积涂层时加一定的工作偏压和工作电流,沉积时间因所需涂层的厚度而定,其它有关参数详见试验结果部分。

3　试验结果
3.1　工作偏压和工作电流对涂层成分离析的影响
　　一般说来,用合金靶材制备的多弧离子镀合金涂层,与靶材之间都会发生合金成分离析。我们研究了不同合金元素的成分离析情况及偏压、电流对涂层成分离析的影响。
　　试验用的NiCrAlY靶材成分是, 66%Ni,20%Cr,13%Al,1%Y。
　　两组试验的工作电流分别是70A和50A,改变工作偏压,观察它对涂层成分的影响, 试验结果见图1。从图中的数据可以看出,在不同的工作电流和工作偏压下,沉积涂层的成分与靶材的成分有一定的离析。当工作电流为70A时,涂层中的Cr比靶材偏高,Al和Ni比靶材低(由于靶材中的Y含量很少,因而未对Y的离析情况进行分析)。当工作电流为50A时,涂层成分的离析不明显。此外,改变工作偏压,对涂层成分的离析没有规律性影响。 1 Z, h, S& c J9 V0 ?

(a) I=50A　　　　　　　　　　　　(b) I=70A
图 1　涂层成分离析曲线
Fig.1　The deviation curve of the coating component

　　在试验过程中,掌握了特定工艺参数条件下涂层成分的离析情况,就可以根据所需涂层的成分来控制靶材的成分。
3.2　工作电流对涂层厚度及微观组织结构的影响
　　工艺参数:工作偏压150V,沉积时间60min,工作电流分别是70A和50A。
　　比较不同工作电流所沉积涂层的厚度及微观组织结构,其金相照片如图2。从图中可以看出,工作电流70A与50A相比,可得到较厚的涂层,经测量,前者厚度约为8～10μm,后者厚度约为3～5μm,这说明在70A的工作电流下,涂层的沉积速率较大。此外,通过观察金相可知,工作电流为70A时,涂层的组织结构均匀致密,而且整个涂层连续,涂层质量明显优于工作电流为50A时沉积的涂层。由此可知,无论是在沉积速率方面,还是在组织结构方面,较大的工作电流都可以获得比较好的沉积涂层。但并非工作电流越大越好,因为电流过大,涂层的组织结构会变得粗糙。
3.3　工件转速对涂层微观组织结构的影响
　　工艺参数:偏压150V,工作电流70A,沉积时间40min。工件转速分别为0r/min,0.2r/min,0.6r/min,1.3r/min。
　　为比较不同转速下涂层的微观组织结构，用扫描电镜对涂层表面进行观察。由图3可以看出,工件架不旋转和旋转对涂层的组织结构有一定的影响。当工件架不旋转时,涂层沉积有方向性;而当工件架旋转时,涂层沉积是非常均匀的,而旋转速度对涂层的组织结构没有明显影响。因此，在试验过程中,保持一定的转速,就可以在试样表面获得均匀的涂层。

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(a) I=50A；(b) I=70A
图 2　涂层显微组织
Fig.2　The microstructure of the coating

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(a) 0r/min;(b) 0.2r/min;(c) 0.6r/min;(d) 1.3r/min

图 3　涂层表面显微组织
Fig.3　The microstructure of the coating surface

3.4　涂层真空热处理
　　为了观察NiCrAlY涂层与钛合金基体的互扩散情况,对沉积了NiCrAlY涂层的钛合金试样进行真空热处理,其热处理制度为：真空度5×10^－3Pa,温度950℃,时间3h。将热处理后的试样断面抛光,并用扫描电镜进行观察分析,以此确定各元素的扩散情况。从金相照片（图4）可以看出,涂层与钛基体之间有一层明显的扩散层,其中既有Ni、Cr、Al等元素向内扩散,也有Ti元素向外扩散。知道了这些元素的扩散情况,就可以选择适当的中间层来阻挡涂层与基体之间的互扩散,从而达到抗氧化防脆化的目的。

图 4　NiCrAlY涂层和基体间的扩散　(a) Ti60基体；(b) Ti₃Al基体
Fig.4　The diffusion between the NiCrAlY coating and the matrix
(a) Ti60 matrix；(b) Ti₃Al matrix

4　讨论
　　采用真空电弧镀的方法沉积合金涂层，都存在涂层与靶材成分的离析现象。由于各元素的饱和蒸气压和熔点不同，造成合金中各组元的离化率不同，从而导致涂层成分与靶材成分的差异。通常认为,饱和蒸气压低而熔点高的元素离化率高^［10］。从所掌握的资料可知,Cr、Ni、Al的离化率逐渐降低,因而涂层中Cr的含量应该比靶材中Cr的含量有所提高，而Al在涂层中的含量要比在靶材中的含量少一些。通过试验证明，上述规律是正确的。
　　沉积涂层时，工作电流的大小对涂层厚度及微观组织结构有较大影响。由金相照片（见图2）可以看出，当工作电流较小时，沉积的涂层比较薄，而且组织结构不均匀，涂层内部存在孔隙、空洞等缺陷，这是由于工作电流小，靶材合金离化出的原子雾化程度低，有些原子是以液滴状态沉积在试样表面的，而且试样表面温度比较低，合金沉积时容易凝固，因而沉积涂层时会出现孔隙、空洞等缺陷。而当工作电流较大时，靶材合金离化出的原子较易雾化，且试样表面温度比较高，合金沉积时能够尽可能地铺开，所以涂层的组织结构较为均匀。
5　结论
　　(1) 真空电弧镀沉积NiCrAlY涂层,涂层成分与靶材成分相比有一定程度的离析,可以通过调整靶材成分来获得预想合金成分的涂层。
　　(2) 沉积过程中,工作电流对涂层厚度及其组织结构有一定影响,比较理想的工作电流是70A。
　　(3) 工件旋转速度对涂层的组织结构影响不大,沉积过程中只要保持一定转速,就可保证涂层的均匀性。
　　(4) 真空电弧镀沉积NiCrAlY 涂层，涂层与基体之间没有孔隙、裂纹等缺陷，是较理想的沉积工艺。