真空电弧镀沉积NiCrAlY涂层工艺

［摘要］　研究了真空电弧镀沉积NiCrAlY涂层工艺，对涂层成分的离析现象进行了分析，并且探讨了沉积工艺参数对涂层微观组织结构的影响，最后讨论了真空热处理对涂层与基体之间互扩散的影响。
关键词　NiCrAlY涂层　真空电弧镀　微观组织结构

Deposition of the NiCrAlY Coating by Vacuum
Arc Ion Plating

Hao Shanshan　Liu Haiping　Wang Xiaohong　Feng Zixiu　Hao Mengyi　Li Jingui
(Institute of Aeronautical Materials,Beijing)

［Abstract］　The technique depositing the NiCrAlY coating by vacuum arc ion plating was investigated in this paper. The component deviation between the NiCrAlY coating and the target was analyzed. The effect of the technique parameter on the microstructure of the coating was researched. Finally, the effect of the vacuum heat treatment on the diffusion between the NiCrAlY coating and the matrix was discussed.
Keywords　NiCrAlY coating　ion plating　microstructure

　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。

(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。

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

(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。