一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种γ‑TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层及其制备方法，该涂层包括自下而上依次设在基体上的NiCrAlSi沉积层、等离子渗氧陶瓷膜、CeO2掺杂YSZ隔热层。其制备方法为：对γ‑TiAl合金基体表面进行预处理；利用等离子刻蚀技术在基体表面形成峰形阵列微结构；利用多弧等离子镀技术在基体上进行NiCrAlSi沉积层；采用等离子渗氧的方法在表面形成一层致密的等离子渗氧陶瓷薄膜；采用多弧等离子镀技术在上述所得涂层上及进行CeO2掺杂YSZ沉积。本发明专利技术提高了γ‑TiAl合金与NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的结合强度。

A NiCrAlSi/CeO2 Doped YSZ Coating on the Surface of Gamma-TiAl Alloy and Its Preparation Method

The invention discloses a NiCrAlSi/CeO2 doped YSZ coating on the surface of a gamma-TiAl alloy and a preparation method thereof. The coating comprises a NiCrAlSi deposit layer, a plasma oxygenated ceramic film and a CeO2 doped YSZ insulating layer, which are arranged on the substrate from bottom to top. The preparation methods are as follows: pretreatment of the surface of the matrix of gamma-TiAl alloy; formation of peak array micro-structure on the surface of the matrix by plasma etching technology; deposition of NiCrAlSi on the substrate by multi-arc plasma plating technology; formation of a dense plasma oxygenated ceramic film on the surface by plasma oxygenation; and application of multi-arc plasma plating technology to the above-mentioned coating. CeO 2 doped YSZ was deposited on the layer and on the layer. The invention improves the bonding strength of gamma-TiAl alloy and NiCrAlSi/CeO2 doped YSZ coating.

【技术实现步骤摘要】
一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层及其制备方法
本专利技术属于材料科学
，特别涉及一种具有复合结构的γ-TiAl合金表面抗高温氧化及耐热腐蚀的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层及其制备工艺。
技术介绍
γ-TiAl合金金属间化合物合金具有密度低(3.9g/cm3)、弹性模量大(180GPa)、高温强度高以及抗蠕变性能好等特点。其使用温度可达750～900℃，接近Ni基高温合金的最高使用温度，可作为Ni基高温合金的替代材料，由于其比强度远高于高温合金，因此在燃气涡轮发动机领域有巨大的应用前景。为了更好的适应高温恶劣的环境，各种涂层系统应运而生，其中，由低导率的陶瓷制成的TBC(热障涂层)系统已被成功应用在了飞机推进。尽管如此，TBC所提供的优异的抗高温性能和低的结合强度的性能不匹配问题导致了涂层寿命的大大降低。据国外媒体FlighGlobal报道，2017年由于空客A320neo飞机上的Leap-1A发动机的高压涡轮中复合涂层的脱落，造成涂层中的空隙对通过涡轮的气流产生了扰动，导致Leap-1A发动机投入使用后就面临潜在整体耐久性的问题。因此，为了防止发动机耐用性问题影响的扩大，必须要解决TBC涂层的结合强度低的问题。当前TBC系统由特定的性质和功能可分为四层，这些层是i)基材；ii)粘结层；ii)TGO层；iv)陶瓷层。粘结层是直接沉积在金属基体上的抗氧化金属层。它通常厚度为75～100μm，由NiCr和其他元素构成，粘结层的主要目的是保护金属基体免受氧化和腐蚀，特别是多孔陶瓷面层的氧气和腐蚀性元素。TGO层是当温度超过700℃时，粘结层不可避免地会生成第三层—热生长氧化物(TGO)，其厚度约为1～10μm。粘结层与陶瓷层之间，始终会存在氧元素从陶瓷层的空隙中直接进入到粘结层，导致粘结层产生氧化生长应力，从而使涂层开裂。如2015年7月出版的《金属热处理》第40卷第7期中“等离子喷涂梯度热障涂层的抗热震性能”一文研究采用等离子喷涂制备了沿厚度方向平滑过渡的梯度热障涂层，这种涂层大幅提高了涂层的结合强度，但明显不足之处是在高温下梯度涂层内的合金组员会发生剧烈氧化导致粘结层与陶瓷层发生整体膨胀剥落。2016年4月出版的《中国机械工程》第27卷第7期中“等离子喷涂ZrO2-8％Y2O3热障涂层的组织与性能研究”一文采用超音速火焰喷涂粘结层和大气等离子喷涂陶瓷层制备了双层结构的陶瓷，但由于陶瓷颗粒在瞬间冷却固化没有来得及填充孔隙，造成陶瓷层出现较多的孔洞和微裂纹。这些孔洞和微裂纹在高温下会增大陶瓷层的透氧率，从而增大了TGO层的而生长速度。尽管TGO的形成不可避免，但是可以通过等离子渗氧的方法在粘结层表面生成一层致密的等离子渗氧陶瓷薄膜，以减少氧元素的进入，从而使TGO层缓慢而均匀的生长，不至于由于生长应力过大导致涂层与界面开裂。陶瓷层一般使用Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)，YSZ在拥有理想的低热导性，但在温度为1200℃下，YSZ会发生从t'-四方晶系转变为四方晶系转变为立方晶系晶体的相变，这种相变导致顶部涂层内形成裂纹。通过稀土氧化物掺杂可以有效地稳定YSZ。综以上几个方面，粘结层基本上决定了TBC涂层的剥落。耐用性的关键是保持粘结层和基体、粘结层和TGO之间的牢固结合，为了实现这一目的，有必要(i)创建高强度的初始粘结和(ii)减少促进粘结层/TGO界面处开裂的应力和累积应变能。
技术实现思路
针对NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的粘结层结合力差的问题，本专利技术的目的是提供一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的制备方法，以提高NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的结合强度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层，包括自下而上依次设在γ-TiAl合金基体表面的NiCrAlSi沉积层、等离子渗氧陶瓷膜、CeO2掺杂YSZ隔热层；所述γ-TiAl合金基体表面具有峰形阵列微结构。所述涂层的整体厚度为14μm；CeO2掺杂YSZ隔热层的厚度为8～9μm；NiCrAlSi粘结层的厚度为3～5μm。一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的制备方法，包括如下步骤：步骤a，对γ-TiAl合金基体表面进行预处理；步骤b，利用等离子刻蚀技术在经步骤a处理后的γ-TiAl合金基体表面形成峰形阵列微结构；步骤c，利用多弧等离子镀技术在经步骤b处理后的γ-TiAl合金基体表面形成NiCrAlSi沉积层；步骤d，采用等离子渗氧的方法在步骤c得到的NiCrAlSi沉积层表面形成一层致密的等离子渗氧陶瓷膜；步骤e，采用多弧等离子镀技术在步骤d得到的等离子渗氧陶瓷膜上进行CeO2掺杂YSZ沉积，形成CeO2掺杂YSZ隔热层。所述步骤a中，γ-TiAl合金基体材料为铸造γ-TiAl基金属间体化合物合金；将基体依次用代号为0#、01#、03#、05#、07#砂纸打磨后，用粒径为2.5μm的金刚石研磨膏抛光；然后经丙酮超声清洗后，烘干。所述步骤b中，采用等离子刻蚀系统，选用氢气和氩气刻蚀气体，刻蚀工艺参数为：功率2000W，氢气流量50mL/min，氩气流量10mL/min，压力8KPa，时间1h。所述步骤c的具体步骤为：步骤c1，腔室、基体及靶材的清洗：将多弧离子镀镀膜设备的腔室通过机械泵抽真空，通入氩气清洗，以排除腔室中可能与金属元素发生反应的气体分子；打开分子泵对分子泵进行抽真空，通入氩气，开启离子源，利用氩气产生的辉光轰击基体，以清除基体表面的杂质原子；增大至氩气流量5～10sccm，启动偏压电源，利用NiCrAlSi靶材表面生的弧光清洗，以清除靶面的杂质原子，露出新鲜表面；步骤c2，以氩气为工作载气，启用NiCrAlSi靶材在基体表面制备NiCrAlSi沉积层，制备过程结束后随炉冷至室温；其中，制备NiCrAlSi沉积层的工艺参数及变量为：电流强度90～100A，气体压强0.3～0.55Pa，偏压150～200V，温度200～250℃。所述步骤c2的NiCrAlSi靶材中，Cr占50～70wt％，Ni占10％～20wt％，Al占5％～15wt％，其余为Si。所述步骤d的具体为：步骤d1，将经c步处理的到的γ-TiAl合金装入双辉等离子表面合金化装置中，以钛合金为工件极，抽真空至极限真空度，送入氩气，氧气，启动辉光，调试工艺参数为：工件电压：850V；气压：40～45Pa；氩氧体积比：1：1保温时间：1h；步骤d2，停止辉光，断电，完成等离子渗氧陶瓷膜的制备。所述步骤e中，以氩气为工作载气，氧气为反应气体，启用Zr-8Y掺杂CeO2靶材，在步骤d得到的等离子渗氧陶瓷膜表面沉积一层CeO2掺杂YSZ隔热层，制备过程结束后随炉冷至室温；工艺参数及变量设置为电流强度90～100A,气体压强0.3～0.55Pa，氧气流量15～20sccm，偏压150～200V，温度200～250℃。所述Zr-8Y掺杂CeO2靶材中，Y2O3稳定的ZrO2的摩尔百分比为6％～8％，CeO2的摩尔百分比为18％～25％。本专利技术通过等离子刻蚀技术在基体层进行表面刻蚀的方法增大基体与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种γ‑TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层，其特征在于：包括自下而上依次设在γ‑TiAl合金基体表面的NiCrAlSi沉积层、等离子渗氧陶瓷膜、CeO2掺杂YSZ隔热层；所述γ‑TiAl合金基体表面具有峰形阵列微结构。

【技术特征摘要】
1.一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层，其特征在于：包括自下而上依次设在γ-TiAl合金基体表面的NiCrAlSi沉积层、等离子渗氧陶瓷膜、CeO2掺杂YSZ隔热层；所述γ-TiAl合金基体表面具有峰形阵列微结构。2.根据权利要求1所述的γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层，其特征在于：所述涂层的整体厚度为14μm；CeO2掺杂YSZ隔热层的厚度为8～9μm；NiCrAlSi粘结层的厚度为3～5μm。3.一种γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a，对γ-TiAl合金基体表面进行预处理；步骤b，利用等离子刻蚀技术在经步骤a处理后的γ-TiAl合金基体表面形成峰形阵列微结构；步骤c，利用多弧等离子镀技术在经步骤b处理后的γ-TiAl合金基体表面形成NiCrAlSi沉积层；步骤d，采用等离子渗氧的方法在步骤c得到的NiCrAlSi沉积层表面形成一层致密的等离子渗氧陶瓷膜；步骤e，采用多弧等离子镀技术在步骤d得到的等离子渗氧陶瓷膜上进行CeO2掺杂YSZ沉积，形成CeO2掺杂YSZ隔热层。4.根据权利要求3所述的γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，γ-TiAl合金基体材料为铸造γ-TiAl基金属间体化合物合金；将基体依次用代号为0#、01#、03#、05#、07#砂纸打磨后，用粒径为2.5μm的金刚石研磨膏抛光；然后经丙酮超声清洗后，烘干。5.根据权利要求3所述的γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤b中，采用等离子刻蚀系统，选用氢气和氩气刻蚀气体，刻蚀工艺参数为：功率2000W，氢气流量50mL/min，氩气流量10mL/min，压力8KPa，时间1h。6.根据权利要求3所述的γ-TiAl合金表面的NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤c的具体步骤为：步骤c1，腔室、基体及靶材的清洗：将多弧离子镀镀膜设备的腔室通过机械泵抽真空，通入氩气清洗，以排除腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏东博，张平则，赵瑞博，李淑琴，姚正军，马振宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32