钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法，是利用溶胶凝胶法与激光熔覆技术相结合制备高结合强度热障涂层，具体是在钛合金基体表面预置NiCoCrAlY粉末，通过激光熔覆制备热障涂层粘结层，再采用溶胶凝胶法制备AlOOH溶胶涂覆在热障涂层粘结层表面，激光扫描AlOOH溶胶表面使其烧结，获得致密无裂纹、耐磨且与热障涂层粘结层结合强度高的Al2O3陶瓷陶瓷涂层。本发明专利技术方法制备的热障涂层组织致密无裂纹，耐磨性能良好，且与钛合金基体结合强度高。

【技术实现步骤摘要】
钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法
本专利技术属于钛合金材料表面处理
，具体涉及钛合金材料表面热障涂层，特别是涉及一种利用溶胶凝胶法与激光熔覆技术相结合制备高结合强度热障涂层的方法。
技术介绍
钛合金具有比强度高、抗蚀性能好、高低温性能优异等优点，被广泛运用到航空航天领域，是制备航空发动机叶片的重要材料。为适应现代工业的快速发展，满足发动机的高效率、大推力、长寿命等要求，在钛合金基体上制备热障涂层，从而提高合金的高温防护性能，成为现代工业制造
中的研究热点。热障涂层一般由高隔热、抗腐蚀的陶瓷涂层与金属粘结层组成。陶瓷涂层的主要功能是在高温载荷下，减弱热量向基体传送，提高基体的抗氧化和抗腐蚀性能；金属粘结层的作用是缓解陶瓷层与基体热膨胀的不匹配，提高基体的抗高温氧化性能。然而，陶瓷涂层与金属粘结层的热膨胀系数及弹性模量依然相差较大，在高温热循环过程中，还是容易造成陶瓷涂层的脱落。其影响因素包括机械应力、热应力、涂层内部的化学反应和腐蚀等。大气等离子喷涂(APS)是在热障涂层制备技术中最早使用的喷涂工艺。在使用氨气作为载体的条件下，喷涂粉末被等离子体火焰迅速加热至熔融状态，喷涂在零件表面。当熔融状态的球形粉末冲击在零件表面时，零件会产生塑性形变，粉末颗粒通过这种零件的塑性变形彼此粘结附着在零件表面。但是，大气等离子喷涂的涂层粒子层间结合有限，一般层间未结合界面占总界面面积的60%以上，使得涂层表面的裂纹容易沿界面开裂，而导致涂层过早失效。近年来发展起来的电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层是用高能电子束加热并汽化陶瓷源，使陶瓷蒸汽以原子形式沉积在基体上形成的。经过高温后续处理后，使粘结层与陶瓷层之间形成扩散，从而消除了内界面，提高了涂层的抗热疲劳性能。但是，EB-PVD的沉积速率相对APS较低，且受元素蒸汽压影响，涂层的成分控制比较困难，试样尺寸不能太大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有高粘结性和耐磨性的钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法。本专利技术是利用溶胶凝胶法与激光熔覆技术相结合来制备高结合强度热障涂层的，包括在钛合金基体表面预置NiCoCrAlY粉末，通过激光熔覆制备热障涂层粘结层，采用溶胶凝胶法制备AlOOH溶胶涂覆在所述热障涂层粘结层表面，激光扫描AlOOH溶胶表面使其烧结，获得致密无裂纹、耐磨且与热障涂层粘结层结合强度高的Al2O3陶瓷涂层。具体地，本专利技术所述钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法包括：1)、在钛合金基体表面预置一层NiCoCrAlY粉末形成预置涂层，预热至80～100℃；2)、控制预置涂层烧结温度为1000～1500℃，以半导体激光器连续扫描NiCoCrAlY粉末预置涂层，在钛合金基体表面制备得到热障涂层粘结层；3)、以异丙醇铝为前驱物，蒸馏水为溶剂，硝酸为催化剂，将异丙醇铝加入蒸馏水中回流搅拌反应形成沉淀，加热除去反应产生的异丙醇，再加入硝酸溶液使沉淀物分散，于85～95℃回流搅拌老化，制备得到AlOOH溶胶；4)、在热障涂层粘结层表面均匀涂敷AlOOH溶胶涂层，控制AlOOH溶胶涂层的烧结温度为1100～1300℃，以半导体激光器连续扫描AlOOH溶胶涂层，使AlOOH溶胶烧结制备得到Al2O3陶瓷涂层。利用半导体激光器的温度控制系统，控制AlOOH溶胶涂层的烧结温度为1100～1300℃，所生成的Al2O3陶瓷涂层致密无孔洞，可以阻碍氧气和腐蚀气体等分子进入粘结层破坏其粘结强度。本专利技术上述方法中，所述钛合金基体表面预置涂层的厚度优选为1～2mm；热障涂层粘结层表面AlOOH溶胶涂层的厚度优选为2～3mm。进一步地，优选使用细度200～400目的NiCoCrAlY粉末作为预置涂层。进而，所述回流搅拌老化中优选使用质量浓度为55～65%的硝酸溶液，所述老化时间优选为24～48h。反应过程中的机械搅拌能够提高水解速度，可以获得透明稳定的AlOOH溶胶。本专利技术所制备AlOOH溶胶的粘度为16.8～45.0mPa•s。更进一步地，本专利技术形成热障涂层粘结层的激光熔覆条件优选为：半导体激光器激光功率1000～3000W，搭接率30～50%，扫描速度10～20mm/s；烧结陶瓷涂层的激光熔覆条件优选为：半导体激光器激光功率800～1200W，搭接率30～50%，扫描速度3～6mm/s。本专利技术所述制备方法还包括对所述钛合金基体的预处理，所述预处理是将钛合金基体表面磨平，以丙酮或酒精清洗除去表面污垢和油垢后进行干燥处理。所述预处理可以清除基体表面的所有污垢，包括氧化皮、油渍、油漆及其他污物，以及基体表面和渗入基体中的油脂。由于传统热障涂层的陶瓷层与金属粘结层界面特性不同，热膨胀系数及弹性模量相差较大，激光熔覆时两者润湿性和匹配性不好，在界面处很难产生冶金结合，并且残余应力较大，涂层与基体的结合强度较差，在高温热循环过程中容易造成陶瓷涂层脱落。本专利技术先在钛合金基体表面制备热障涂层粘结层，再采用溶胶凝胶法制备AlOOH溶胶涂覆在热障涂层粘结层表面，激光熔覆获得陶瓷涂层。溶胶凝胶法形成的凝胶中，反应物间在分子水平上被均匀混合，实现了陶瓷层与粘结层在分子水平上的结合，从而保证了激光熔覆时实现陶瓷层与金属层的冶金结合。采用本专利技术方法制备热障涂层的陶瓷层致密无裂纹，耐磨且与粘结层结合强度高，高温下不易发生涂层脱落。本专利技术方法中，热障涂层粘结层表层的微融化会在陶瓷层与粘结层之间形成一层新的中间层，新形成的中间层会减少陶瓷层与粘结层之间的热膨胀差别和不匹配性，降低涂层内的体积应力和热应力，且中间层也为结合强度的提高提供了保证。本专利技术方法制备的热障涂层，陶瓷层与粘结层之间结合强度可以达到150Mpa以上，远高于传统激光熔覆制备热障涂层之间的结合强度。附图说明图1是扫描电子显微镜下观察的热障涂层涂层分布状态。图2是不同制备条件下的陶瓷层宏观形貌。具体实施方式下述实施例仅为本专利技术的优选技术方案，并不用于对本专利技术进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本专利技术可以有各种更改和变化。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。实施例1。以砂纸将钛合金TC11基体材料的表面磨平，用丙酮或酒精对其表面进行清洗，除去表面污垢和油垢，干燥处理。选择组成Co22.88%，Cr17.96%，Al11.82%，Y0.99%，Si2.11%，Ni余量，细度200～400目的NiCoCrAlY粉末。在清洗干净的干燥基体表面预置一层1mm厚的NiCoCrAlY粉末形成预置涂层，放入真空加热炉中，预热至100℃保温30min，以消除预置涂层中的水分。设置半导体激光器的激光功率1500W，光斑直径4mm，保护Ar气流量15L/min。以半导体激光器的激光头对准NiCoCrAlY粉末预置涂层，按照50%的扫描搭接率，以15mm/s的扫描速度，按照设定的轨迹连续扫描预置涂层，在TC11基体表面制备得到一层热障涂层粘结层。待热障涂层粘结层冷却后，用砂纸磨平表面，以丙酮或酒精清洗干净，干燥。搅拌下，向100mL加热至84℃的蒸馏水中分次缓慢加入204g磨细的异丙醇铝，全部加完后，回流搅拌反应1.5h形成沉淀。升温至90℃，搅拌使产生的异丙醇完全挥发。加入2mL6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法，包括在钛合金基体表面预置NiCoCrAlY粉末，通过激光熔覆制备热障涂层粘结层，采用溶胶凝胶法制备AlOOH溶胶涂覆在所述热障涂层粘结层表面，激光扫描AlOOH溶胶表面使其烧结获得Al2O3陶瓷涂层。

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法，包括在钛合金基体表面预置NiCoCrAlY粉末，通过激光熔覆制备热障涂层粘结层，采用溶胶凝胶法制备AlOOH溶胶涂覆在所述热障涂层粘结层表面，激光扫描AlOOH溶胶表面使其烧结获得Al2O3陶瓷涂层。2.根据权利要求1所述的钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法，其特征是包括：1)、在钛合金基体表面预置一层NiCoCrAlY粉末形成预置涂层，预热至80～100℃；2)、控制预置涂层烧结温度为1000～1500℃，以半导体激光器连续扫描NiCoCrAlY粉末预置涂层，在钛合金基体表面制备得到热障涂层粘结层；3)、以异丙醇铝为前驱物，蒸馏水为溶剂，硝酸为催化剂，将异丙醇铝加入蒸馏水中回流搅拌反应形成沉淀，加热除去反应产生的异丙醇，再加入硝酸溶液使沉淀物分散，于85～95℃回流搅拌老化，制备得到AlOOH溶胶；4)、在热障涂层粘结层表面均匀涂敷AlOOH溶胶涂层，控制AlOOH溶胶涂层的烧结温度为1100～1300℃，以半导体激光器连续扫描AlOOH溶胶涂层，使AlOOH溶胶烧结制备得到Al2O3陶瓷涂层。3.根据权利要求2所述的钛合金表面高结合强度热障涂层的制备方法，其特征是所述钛合金基体表面预置涂层的厚度为1～2mm。4.根据权利要求2所述的钛合...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉新，张宏建，苏科强，尉利强，白培康，刘斌，赵占勇，聂金浩，杨宜鑫，李庆伟，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14