一种分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，包括如下步骤：对钛合金表面预处理后，进行电镀处理，使得钛合金的表面得到厚度为10～100μm的镍镀层，然后浸没于渗剂中进行高温处理，最后冷却至室温，得到所述的复合涂层。本发明专利技术采用先电镀Ni涂层，然后扩散渗Si的分步方法，充分结合电镀和扩散渗的优势，能够在钛合金表面制备出Ni含量可控，组织均匀致密且与基体结合紧密的耐高温复合涂层，同时具有工艺简单且成本低廉等优势，适于生产和应用。

A Step-by-Step Method for Preparing TiSi2+ (Ni, Ti) Si Composite Coatings on Titanium Alloys

The invention discloses a step-by-step method for preparing TiSi2+ (Ni, Ti) Si composite coating on the surface of titanium alloy, which includes the following steps: pretreatment of the surface of titanium alloy and electroplating treatment, so that the surface of titanium alloy can be obtained a nickel coating with thickness of 10-100 micron, then immersed in the Infiltrator for high temperature treatment, and finally cooled to room temperature to obtain the composite coating. The invention adopts a step-by-step method of electroplating Ni coating and then diffusing Si, fully combining the advantages of electroplating and diffusing Si, and can prepare a high temperature resistant composite coating with controllable Ni content, uniform and compact structure and close bonding with the matrix on the surface of titanium alloy. At the same time, it has the advantages of simple process and low cost, and is suitable for production and application.

【技术实现步骤摘要】
一种分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法
本申请涉及材料
领域，涉及一种金属材料表面改性技术，具体而言，涉及一种分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法。
技术介绍
钛合金的密度低、比强度和比刚度高且耐蚀性能优良，因而在航空航天、汽车能源以及生物医疗等各领域有着广泛的应用。但是，钛合金的高温抗氧化性能很不理想，当使用温度超过550℃以后，Ti与空气中的氧气及氮气会发生强烈的反应，所形成的TiO2或TiN反应产物层疏松多孔且极易开裂，无法阻止O的向内扩散，因而高温防护性能很差，因此提高钛合金的高温抗氧化性能是促进其在航空航天等高温零部件中进一步应用的迫切需求。用于提高合金抗氧化性能的方法主要有多元合金化和制备表面抗氧化涂层两种。其中，多元合金化虽然是改善钛合金高温抗氧化性能的有效途径，但为改善高温抗氧化性能而大量添加的合金化元素往往会对该合金的其它性能如综合力学性能带来不利影响。例如，添加高含量的Al能够在氧化时促进合金表面保护性Al2O3膜，但会导致合金的脆性显著增加；添加Cr也能明显改善钛合金的高温抗氧化性能，但需要Cr的含量超过7at.％，这又会明显削弱其韧性。可见，采用多元合金化方法改善钛合金的高温抗氧化性能存在局限性。制备表面防护涂层是提高合金高温抗氧化性能的另一种有效途径，该方法的优点是既能起到高温抗氧化防护效果，又不会削弱合金在整体力学性能上的优势，因而获得了广泛研究。国内外科研工作者采用磁控溅射、激光熔覆、离子注入、等离子喷涂等多种工艺或复合工艺在钛合金表面制备了种类繁多的防护涂层体系，如TiAl基涂层(TiAl3、TiAl2和TiAlCr等)、M-CrAlY(M代表Ni、Co和NiCo等)涂层、陶瓷涂层和硅化物涂层等。在这些涂层体系中，硅化物涂层的熔点高、密度低、热稳定性良好，并且在高温下能够形成流动性较强、具有自愈能力的SiO2保护膜，因而高温抗氧化性能优良，TiSi2就是其中典型的一种。此外，采用扩散渗Si的方法很容易在钛合金表面制备出与基体结合紧密的TiSi2涂层，且工艺简单、成本低廉，这对于在服役过程中需要承受载荷的钛合金极具意义。但TiSi2涂层也存在缺陷，表现在1)自身脆性较高，在服役过程中容易发生开裂甚至剥落；2)氧化过程中在形成SiO2的同时，也会形成较多的疏松的TiO2，削弱了氧化膜的防护性能。因此需要对TiSi2涂层进行改性，以提高其韧性并抑制氧化过程中TiO2的形成。Ni是最常用的高温合金，自身具有优良的高温抗氧化性能，并且韧性良好，同时Ni和Si反应形成的NiSi2、NiSi等也具有良好的抗氧化性能，因此适合用于TiSi2的改性。但Ni的化学性质十分稳定，采用扩散渗的方法很难在钛合金表面制备出Ni改性的硅化物涂层，目前这方面的技术尚属空白。
技术实现思路
针对现有技术中的不足之处，针对Ni改进钛合金表面硅化物涂层的技术空白，本专利技术采用先电镀Ni涂层，然后扩散渗Si的分步方法，充分结合电镀和扩散渗的优势，能够在钛合金表面制备出Ni含量可控，组织均匀致密且与基体结合紧密的耐高温复合涂层，同时具有工艺简单且成本低廉等优势，适于生产和应用。本专利技术所提供的分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，包括如下步骤：对钛合金表面预处理后，进行电镀处理，使得钛合金的表面得到厚度为10～100μm的镍镀层，然后浸没于渗剂中进行高温处理，最后冷却至室温，得到所述的复合涂层。具体的，所述的预处理包括如下步骤：将钛合金表面打磨至光滑、超声清洗、酸洗、碱洗、活化处理。进一步的，所述的预处理中，所述打磨为：采用80～2000号水砂纸将预制备涂层的钛合金试样各表面打磨光滑。所述超声清洗为：丙酮溶液中超声清洗5～10min后吹干。所述酸洗为：将试样置于(40～50)g/L的NaOH溶液中清洗1～2min。所述碱洗为：将试样置于(200～250)g/L的HNO3和(40～50)g/L的HF混合溶液中清洗20～30s。所述活化为：将试样置于饱和Cr2O3溶液中静置30min～1小时。之所以做这样的预处理，是为了充分清洁和活化钛合金表面组织，首先在钛合金表面制备出与基体结合良好的镀镍涂层。具体的，所述的电镀工艺为：电镀时采用的阴极电流密度为1.5～2.5A/dm2，镀液温度为40～60℃，搅拌速度为250～350r/min，电镀时间为15min～60min。之所以采用上述工艺，目的在于获得组织相对致密、与基体结合状态良好，并且沉积速率合理的镀镍层。电流密度高于此范围容易导致镀层烧蚀，低于此范围容易导致镀层与基体结合强度差；温度高于此范围容易使镀层孔洞增多，低于该范围则导致镀层与基体结合强度较低；搅拌速率高于本范围使镀层冲刷痕迹明显，低于该范围则易于导致镀层厚度不均；电镀时间过短会使镀层厚度较薄，过久则导致镀层内应力增加，易于剥落。对于本专利技术来说，优选工艺为阴极电流密度为2A/dm2，镀液温度为50℃，搅拌速度为300r/min，电镀时间为30min。具体的，所述的镀液中含有NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、H3BO3、糖精和去离子水，pH值为3～4。更具体的，所述的镀液中各组分浓度为：NiSO4·6H2O为(400～600)g/L-1，NiCl2·6H2O为(20～60)g/L，H3BO3为(20～50)g·L-1，糖精为(1～2.5)g·L-1。上述配方中的NiSO4·6H2O和NiCl2·6H2O用于提供镀镍所需的镍离子，H3BO3用于调节镀液的PH值，糖精为光亮剂。对于本专利技术来说，NiSO4·6H2O和NiCl2·6H2O超过此范围易于导致沉积速率加快，镀层内应力增加，低于此范围镀层的生长缓慢；H3BO3含量超过此范围容易导致镀层灰暗，高于该范围容易造成镀层起皮。对于本专利技术来说，优选配方为NiSO4·6H2O为(400～600)500g/L-1，NiCl2·6H2O为30g/L，H3BO3为30g·L-1，糖精为1.5g·L-1。具体的，所述的浸没是将电镀后的钛合金填埋于渗剂中，压实，密封。更具体的是：在模具中装入渗剂，然后将钛合金埋入渗剂中，压实，并在上层覆盖渗剂，上层厚度大于10mm。所述密封，采用的密封介质为硅溶胶、水玻璃与Al2O3的混合物。进一步的，所述的密封介质，每50ml硅溶胶加入水玻璃约20g，Al2O3约50g。具体的，所述的高温处理，温度为950～1200℃、处理时间为2～20h；升温速率为6～10℃/min。高于此温度范围容易导致密封坩埚爆盖，低于此温度范围容易导致催化剂过早分解，共渗效果较差。具体的，所述的渗剂配方，其组分及含量为：Si粉：重量百分比5～20％；NH4Cl粉：重量百分比2～8％；SiC粉：余量。进一步的，上述渗剂通过如下方法得到：按照重量百分比称量渗剂的各组分，混合，然后球磨2～4h，使渗剂充分混合细化。粉末粒度的大小，优选≤200目。具体的，采用本专利技术上述方法所制备得到的复合涂层由(Ni,Ti)Si+TiSi2复合外层、TiSi中间层和Ti5Si4内层组成。有益效果：本专利技术采用首先在钛合金表面制备镀镍涂层，然后扩散渗硅的方法在钛合金表面制备了与基体结合紧密的T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：对钛合金表面预处理后，进行电镀处理，使得钛合金的表面得到厚度为10～100μm的镍镀层，然后浸没于渗剂中进行高温处理，最后冷却至室温，得到所述的复合涂层。

【技术特征摘要】
1.一种分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：对钛合金表面预处理后，进行电镀处理，使得钛合金的表面得到厚度为10～100μm的镍镀层，然后浸没于渗剂中进行高温处理，最后冷却至室温，得到所述的复合涂层。2.根据权利要求1所述的分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，其特征在于，所述的预处理包括如下步骤：将钛合金表面打磨至光滑、超声清洗、酸洗、碱洗、活化处理。3.根据权利要求2所述的分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，其特征在于，所述的预处理中，所述酸洗为将试样置于(40～50)g/L的NaOH溶液中清洗1～2min，碱洗为将试样置于(200～250)g/L的HNO3和(40～50)g/L的HF混合溶液中清洗20～30s，活化为将试样置于饱和Cr2O3溶液中静置30min～1小时。4.根据权利要求1所述的分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，其特征在于，所述的电镀处理，工艺为：电镀时采用的阴极电流密度为1.5～2.5A/dm2，镀液温度为40～60℃，搅拌速度为250～350r/min，电镀时间为15min～60min。5.根据权利要求4所述的分步制备钛合金表面TiSi2+(Ni,Ti)Si复合涂层的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轩，李锐，韩枫，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51