一种在离子液体中镍铝共沉积制备镍铂铝涂层的方法与流程

本发明属于热障涂层，具体是涉及一种在离子液体中镍铝共沉积制备镍铂铝涂层的方法。

背景技术：

1、铂铝涂层是目前比较常见的热障涂层粘结层体系，制备方法主要是电镀铂层和气相渗铝(如包埋渗铝、化学气相沉积等)。无论哪种渗铝方法，根据制备过程中扩散机理不同，可分为低温高活性渗铝(向内生长型)和高温低活性渗铝(向外生长型)。在向内生长型涂层制备过程中，涂层形成机制是通过铝原子向内扩散与基体中的镍原子反应而生长的。

2、一般来说，涂层由三层组成，外层和中间层由β-nial组成，外层含有大量细小的沉淀相，中间层为析出相；内层是互扩散区，该层分布有含β基体相的大量复杂沉淀相。在向外生长型涂层制备过程中，涂层形成机制是以基体合金表面为初始界面向外生长。涂层由两层组成，外层由β-nial组成，内层互扩散区成分与向内生长型涂层的互扩散区类似。无论哪种渗铝方式，除了得到了最外层的β-(ni,pt)al层之外，还会伴随互扩散区的产生，这是由镍和铝的相图(见附图1)决定的。通过热处理扩散的方法产生β-nial之前，不可避免的形成β-nial3和γ-ni2al3。

3、研究表明大量残留的nial3和ni2al3残留在了互扩散区域，而铝在ni2al3的扩散速度非常快。铝在镍铝金属间化合物中的扩散遵循柯肯德尔效应，其中两种不同形态的分离边界与柯肯德尔平面重合，由于柯肯德尔平面的位置明显远离nial层，因此ni2al3中铝的固有扩散系数明显大于ni2al3中镍的固有扩散系数，铝是导致形成ni2al3的关键扩散元素。在高温氧化过程中，铝的扩散使得涂层由富铝的β－nial向贫铝的γ’-ni3al转化，直到变为无抗氧化性的γ-ni相。随着铝元素的不断消耗，涂层发生严重的退化，β向γ’转化的过程中会产生体积收缩，晶界处先发生相变的部位形成凹陷，周围区域隆起，形成褶皱。此外，基体中析出的难熔元素亦会向外扩散，在涂层表面形成挥发氧化物如moo3，这些氧化物会破坏热生长层的粘附性，使之开裂甚至剥离。

4、通过扩散的方式制备的铂铝涂层都存在互扩散区，在后续的高温氧化过程中，互扩散区下方会生成含有针尖状tcp相的二次反应区，其针尖状结构会造成局部应力集中，使得基体的高温力学性能(尤其髙温变和疲劳)发生明显下降。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明主要针对以上问题，提出了一种在离子液体中镍铝共沉积制备镍铂铝涂层的方法，其目的是克服其在高温氧化时因为元素互扩散导致的力学性能下降。

3、(二)技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供了一种在离子液体中镍铝共沉积制备镍铂铝涂层的方法，包括如下步骤：

5、对金属基体进行表面处理；

6、在完成表面处理后的金属基体上电沉积至少一层铂或含铂合金；

7、将铂或含铂合金层进行退火处理；

8、制备离子液体，并在其中溶解镍和铝的盐类以形成用于共沉积的电镀液；

9、在所述电镀液中通过电沉积的方式，在铂或含铂合金层上共沉积镍铝合金；

10、对共沉积的镍铝合金层进行热处理，以形成具有抗氧化性和力学性能的涂层；

11、其中，所述热处理温度低于使金属基体显著退化的温度。

12、进一步地，表面处理步骤选择自机械打磨、化学浸泡、电解抛光、超声波清洗中的一种或多种组合。

13、进一步地，机械打磨包括分别用不同粒度的纱纸依次打磨，其中不同粒度的纱纸包括120#、200#、400#、800#、1200#；超声波清洗包括在60℃naoh水溶液和丙醇溶液中超声清洗，其中清洗步骤中的naoh水溶液浓度为5-15g/l。

14、进一步地，电镀铂层步骤所采用的电镀液是磷酸氢四胺合铂，其中含有铂5g/l，溶液在20℃时ph为7.5-8，在电镀时，调整ph值并加热至92-95℃；电镀铂层步骤中的电镀液ph值通过添加质量分数为10％的naoh调整到10.0-10.6，电镀电流范围为0.2-0.7a/dm2。

15、进一步地，退火处理步骤中的退火条件为：真空度在10-6mbar及温度保持在1100℃进行3-5小时。

16、进一步地，制备离子液体的步骤包括：将无水al c l3少量多次缓慢加到emi c中，al c l3与emi c的摩尔比是2：1，不断搅拌；在al c l3完全溶解后，加入99.99％的高纯铝丝除杂，放置24小时以上，制得al c l3-emi c离子液体；并在其中加入无水nic l2至12-15mol/l的浓度以供镍铝共沉积使用，其中，离子液体制备步骤中的所有试剂需在水氧含量小于0.1ppm的环境中干燥操作，并且配置及使用过程在手套箱中完成；al c l3-emi c离子液体是一种比较成熟的离子液体体系，具有可调节的lewi s酸度，较宽的电化学窗口、电导率高等优点，在电沉积领域得到广泛研究。

17、进一步地，镍铝共沉积步骤在惰性气体氛围、防水和防氧化的操作条件下进行。

18、进一步地，镍铝共沉积步骤包括：在气压在5-20mbar且干燥的氩气环境下，将含有ni c l2的离子液体加热使ni c l2完全溶解后冷却至65±5℃，使用阴极电流密度为6-8ma/cm2进行镍铝共沉积，沉积时间为30-60分钟。

19、进一步地，热处理所得到的涂层是β-(ni,pt)al相。

20、进一步地，所述热处理步骤中的温度为400℃。

21、(三)有益效果

22、本发明提供的一种在离子液体中镍铝共沉积制备镍铂铝涂层的方法，具有如下有益效果：

23、1.消除了铂铝涂层中的互扩散区：传统方式制备铂铝涂层会生成互扩散区，主要由β-nial3和γ-ni2al3组成，铝在其中的扩散速率快，铝的扩散使得涂层最终变为无抗氧化性的γ-ni相。随着铝元素的不断消耗，涂层发生严重的退化，β向γ’转化的过程中会产生体积收缩，晶界处先发生相变的部位形成凹陷，周围区域隆起，形成褶皱，最终造成涂层体系失效。而通过离子液体中镍铝共沉积的方式制备的涂层，从根本上杜绝了β-nial3和γ-ni2a l3的形成，降低了铝的扩散速率，延长了涂层的寿命。

24、2.提高了带有镍铂铝粘结层的高温合金体系的抗高温氧化性能：高温循环氧化试验表明，没有互扩散区的铂铝涂层比用传统方式制备的带有互扩散区的铂铝涂层的热循环性能提高50％以上。例如，在1100℃下进行高温氧化循环时，常规化学气相沉积的涂层在800小时时的氧化增重为1.62mg/cm2，而通过离子液体电镀制备的涂层在同样条件下的增重仅为0.78mg/cm2。

25、3.改善了传统方式渗铝过程中铝源利用率低的问题：与传统的渗铝方式(如包埋渗铝、化学气相沉积等方式)相比，离子液体电镀具有对铝源的利用率高的特点。离子液体可以重复利用，al c l3中的铝90％以上都以nial的形式沉积在了铂的表面，少部分以络合物的形式存在于离子液体中。与之相比，包埋渗铝的铝利用率仅为10-20％，气相沉积等方式稍高，但也很难高于50％，大部分铝都与未充分反应的气体混合后，当作尾气被处理掉，造成了浪费。