一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法，所述涂层的原始原料的成分体系为：(45~75)%Al‑(10‑20)%Nb‑(5‑20)%Si‑(0~15)%B‑(0~20)%B4C‑(0~10)%C，本发明专利技术采用激光表面合金化的方式，在钛合金表面制备原位生成的耐高温涂层与基体呈典型的冶金结合，这种涂层不仅具有优异的抗高温氧化、磨损性能，同时，涂层的厚度也得到了大幅度提高，很好地解决了现有技术中存在的涂层厚度、硬度、耐磨性难以均衡提高的问题，极具应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法
本专利技术属于金属材料表面改性
，尤其涉及一种具有优异的抗高温氧化、磨损性能的钛合金表面耐高温涂层及其制备方法。
技术介绍
钛及钛合金密度小、比强度高、抗蚀性优异和无磁，且具有形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，易于加工成形和焊接，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护和医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。与镍基高温合金相比，钛及钛合金具有更低的密度，更高的高温力学性能和优良的抗蠕变性能，是新一代飞机和先进航空发动机的首选材料。目前，钛合金用量占飞机结构重量的比例已成为衡量飞机先进程度的指标之一。随着飞机性能的提升，特别是航空发动机推重比的提高，钛及钛合金的需求量将急剧增加。然而，钛及钛合金硬度低、抗磨损性能和抗高温氧化性能差，严重限制了其在航空工业中的应用范围。首先，钛及钛合金硬度低，耐磨性差，极易在干摩擦磨损条件下发生严重的粘着磨损和磨粒磨损，从而导致构件的失效。其次，钛及钛合金的抗高温氧化性差，严重制约了钛及钛合金长期服役的最高温度。传统钛合金长期服役的最高使用温度不超过350℃，即使是新型的高温钛合金，也只能在略高于500℃的温度下使用，这就极大的限制了钛及钛合金在航空发动机中的应用。以航空工业中应用最为广泛的(α+β)型钛合金Ti-6Al-4V为例，其长期服役的最高使用温度仅为350℃，只能用来制造航空发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。当服役温度超过其最高使用温度时，将出现严重的氧化及氧脆问题。高温时，氧向基体扩散，使氧化膜增厚，导致氧化膜与基体结合强度降低并发生剥落，从而使氧化膜失去保护作用；另一方面，氧的渗入引起基体晶格畸变和形成有序相，在合金表面产生脆性层，导致合金的力学性能严重下降。由于摩擦磨损及高温氧化行为主要发生在材料的表面，因此采用合适的表面处理技术，在钛及钛合金表面制备具有特殊功能的涂层，可以有效提高钛及钛合金的表面硬度、抗磨损性能和抗高温氧化性能，例如，专利201510567419.X公开的一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法，在钛合金表面采用冷喷涂Al-Si和热扩散处理制备Ti(Al,Si)3的共渗涂层。涂层成分为Ti(Al,Si)3，Si在涂层中均匀分布，涂层厚度在20μm以上。然而，该方法制备的涂层厚度较小，无法适应长期高温服役的需求。专利CN201210216709.6公开了一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的氧化物梯度涂层及其制备方法，先通过双辉等离子表面冶金技术在钛合金表面制备Al-Cr-Ni合金层，然后对Al-Cr-Ni合金层进行离子渗氧处理，最终得到由Al2O3、Cr2O3和NiO2组成的涂层面层、由Al-Cr-Ni合金层组成的涂层中间层，涂层与基体间由Al-Cr-Ni-Ti互扩散层实现冶金结合。涂层最大厚度约为16μm。但该方法制备的涂层也存在厚度小的问题。专利201410421065.3公开了一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法，其配方组份为SiO2、Al2O3、B2O3、CoO、TiO2、CaO、NaNO3、KMnO4、ZrO2、V2O5、CaF2和NiO；其制备方法是将原料按配方配好，经球磨混合均匀熔制成熔融液体，水淬干燥得到块状搪瓷釉料。加入磨加物球磨得釉浆，喷涂到钛合金基体上，经过烧成和保温，在其得到一层搪瓷涂层。搪瓷涂层耐900℃空气氧化增重小于0.1mg/cm2，850℃耐熔盐腐蚀失重小于0.1mg/cm2，耐温差急变性高于300℃，耐机械冲击性大于300×10-3J。但搪瓷涂层脆性大，与基体的结合强度不够牢固，长期使用会出现开裂剥落的问题。激光表面改性处理主要采用高能量密度的激光束，以非接触的方式加热材料表面，在材料表面制备一定厚度的处理层，从而达到改善材料表面硬度、耐磨性、耐蚀性及抗高温氧化性能等目的。由于激光束具有单色性好、相干性好、方向性好和能量密度高的特点，因此与其他表面改性技术相比，激光表面处理具有表面改性层厚度可控、改性层与基体呈典型的冶金结合、热影响区小以及工件变形小等优点，因而广泛应用于钛及钛合金、钢铁等材料的表面改性处理。例如，专利201510788144.2公开了一种钛合金表面制备高Nb钛铝基合金抗氧化涂层的方法。该方法利用CO2激光束作用下Ti-Al-Nb混合元素粉末之间的原位合成反应及热处理,在钛合金表面制备高Nb钛铝基合金涂层。涂层制备步骤包括：钛合金表面预处理、粉末配制及球磨、粉末预置、粉末激光烧结、涂层热处理、抗氧化性能测试及显微组织分析七个部分；但由于该成分体系涂层硬度和耐磨性不高，限制了该方法作为抗磨涂层的应用。综上，现有的钛合金表面涂层仍然存在涂层厚度、硬度、耐磨性、抗高温氧化性难以均衡提高的问题，因此，有必要开发一种新的钛合金表面涂层地成分体系及其制备方法，这对拓展钛合金的进一步推广应用具有重要的现实意义。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法，本专利技术采用激光表面合金化的方式，在钛合金表面制备原位生成的耐高温涂层与基体呈典型的冶金结合，这种涂层不仅具有优异的抗高温氧化、磨损性能，同时，涂层的厚度也得到了大幅度提高，很好地解决了现有技术中存在的涂层厚度、硬度、耐磨性难以均衡提高的问题，极具应用前景。本专利技术的目的之一是提供一种钛合金表面耐高温涂层的原始材料成分体系。本专利技术的目的之二是提供一种表面具有涂层的钛合金。本专利技术的目的之三是提供一种在钛合金表面制备耐高温涂层的方法。本专利技术的目的之四是提供一种上述方法制备的具有耐高温涂层的钛合金。本专利技术的目的之五是提供上述钛合金表面耐高温涂层原始材料成分体系、在钛合金表面制备耐高温涂层的方法以及目的之二和目的之四所述两种钛合金的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开了一种钛合金表面耐高温涂层的原始材料成分体系，所述成分体系表示为：Al-Nb-Si-X，其中，X＝B和/或C。优选的，所述涂层的原始原料的成分体系为：(45～75)％Al-(10-20)％Nb-(5-20)％Si-(0～15)％B-(0～20)％B4C-(0～10)％C，质量；该成分体系中，除了Al、Nb、Si之外，还必须包含B、B4C、C中的至少一种。进一步优选的，所述涂层的原始原料的成分体系为：55％Al-20％Nb-5％Si-10％B4C-10％C，质量。其次，本专利技术公开了一种表面具有涂层的钛合金，所述涂层的原始材料成分体系为：Al-Nb-Si-X，其中，X＝B和/或C。优选的，所述Al-Nb-Si-X为：55％Al-20％Nb-5％Si-10％B4C-10％C，质量。再次，本专利技术公开了一种利用Al-Nb-Si-X成分体系在钛合金表面制备耐高温涂层的方法，具体的，所述制备方法包括以下步骤：1)将涂层原始材料按比例混合均匀；2)清除待处理的钛合金基材表面氧化皮；3)将步骤1)中的原始材料预置在步骤2)中的钛合金基材表面，对原始粉末进行激光表面合金化处理，冷却后即得。步骤1)中，所述原始材料为Al粉(纯度≥99.0％，200目)、Si粉(纯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金表面耐高温涂层的原始材料成分体系，其特征在于，所述成分体系表示为：Al‑Nb‑Si‑X，其中，X＝B和/或C。

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面耐高温涂层的原始材料成分体系，其特征在于，所述成分体系表示为：Al-Nb-Si-X，其中，X＝B和/或C。2.如权利要求1所述的成分体系，其特征在于，所述成分体系为：(45～75)％Al-(10-20)％Nb-(5-20)％Si-(0～15)％B-(0～20)％B4C-(0～10)％C，质量；该成分体系中，除Al、Nb、Si之外，还必须包含B、B4C、C中的至少一种。3.如权利要求2所述的成分体系，其特征在于，所述成分体系为：55％Al-20％Nb-5％Si-10％B4C-10％C，质量。4.一种表面具有涂层的钛合金，其特征在于，所述涂层的原始材料成分体系为：Al-Nb-Si-X，其中，X＝B和/或C。5.如权利要求4所述的表面具有涂层的钛合金，其特征在于，所述Al-Nb-Si-X为：55％Al-20％Nb5％Si-10％B4C-10％C，质量。6.一种钛合金表面耐高温涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将权利要求1-3任一项所述的钛合金表面耐高温涂层的原始材料按比例混合均匀；2)清除待处理的钛合金基材表面氧化皮；3)将步骤1)中的原始材料预置在步骤2)中的钛合金基材表面，对原...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴景杰，韩洪发，张红霞，王阿敏，张年龙，李守英，王晓燕，孙彩霞，
申请(专利权)人：青岛滨海学院，
类型：发明
国别省市：山东,37