一种钛合金表面复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金表面复合涂层及其制备方法，所述复合涂层包括依次连接的钛合金基体、CoCrNiAlTi高熵合金涂层、NiCoCrAlY粘接层和YSZ‑Ag‑Mo高温固体自润滑涂层。所述制备方法包括以下步骤：对钛合金基体表面进行抛光预处理；利用双辉等离子表面冶金，以钛合金基体为工件极，CoCrNiAlTi和NiCoCrAlY靶材分别为两个源极，在钛合金基体的表面制备CoCrNiAlTi高熵合金涂层和NiCoCrAlY粘接层；利用多弧离子镀，在NiCoCrAlY粘接层的表面制备YSZ‑Ag‑Mo高温固体自润滑涂层。本发明专利技术的涂层表面质量好，与基体为冶金结合，具有较高的结合强度。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金表面复合涂层及其制备方法
本专利技术属于复合涂层及其制法，具体为一种钛合金表面复合涂层及其制备方法。
技术介绍
钛合金是应用于航空航天领域的首选材料，具有低密度、高比强度、良好的韧性与耐腐蚀性能等优点，特别是用于制造飞机机身、液压管道、蒙皮、紧固件以及航空发动机结构件。但随着航空航天工业的不断发展，钛合金机械零部件面临着更加苛刻的运作环境，特别是如何克服高真空度、宽温域服役环境中的摩擦是结构件面临的重大挑战。YSZ(Y2O3稳定ZrO2陶瓷层)陶瓷基高温固体自润滑涂层具有足够的高温强度、热稳定性、优良的抗磨损性能，通过添加CaF2、BaF2、MoO3等固体润滑剂，YSZ陶瓷基高温固体自润滑涂层能够初步实现在低温与高温交变环境中的润滑减摩效果。但陶瓷涂层断裂韧性差、与金属基体热膨胀系数差别大，将单层陶瓷涂层应用于温度交替的服役环境中，服役寿命难以满足实际应用的需求。NiCoCrAlY涂层既可以作为保护涂层提高基体的抗氧化性能、抗热腐蚀性能以及抗热疲劳性能，也广泛应用于基体合金与陶瓷涂层之间的粘接层以提高结合强度和服役寿命。但是将NiCoCrAlY应用于钛合金与YSZ陶瓷涂层之间的粘接层时，随着服役环境温度的升高，NiCoCrAlY粘接层与基体之间会发生合金元素互扩散现象。宫雪在其硕士论文《TiAl基合金表面NiCoCrAlY(Ta,Mo)涂层的组织与抗氧化行为》中提到，涂层中的Al元素向内界面处扩散会消耗涂层中的Al含量，同时TiAl基合金中的Al、V向外扩散，在界面处形成V2O5、AlVO4和NiCr2O4、Ni3Al等脆性相，增加了内应力和内氧化速度，恶化了结合性能；合金元素发生互扩散后会形成克肯达尔空洞带，产生应力集中并在涂层与界面处形成微裂纹，造成涂层的过早失效。在2011年出版的《CorrosionScience》第53卷第3期“OxidationandinterfacialfracturebehaviourofNiCrAlY/Al2O3coatingsonanorthorhombic-Ti2AlNballoy”一文中指出NiCrAlY粘接层与镍基合金基体和钛铝铌基合金基体之间均存在合金元素的扩散行为，以Al2O3涂层作为扩散障可以一定程度上阻碍合金元素的扩散行为，但是会影响涂层的抗氧化性能和力学性能。多弧离子镀技术具有沉积温度低、薄膜均匀性好、绕镀性好、操作简单等优点，通过设计靶材的合金成分，可以得到均匀致密的YSZ陶瓷基高温固体自润滑涂层。采用双辉等离子表面冶金技术在陶瓷基涂层与基体之间设计并制备粘接层，以实现涂层与基体之间热膨胀系数的合理过渡，缓和复合结构涂层在冷-热循环交替的工作环境中产生的残余应力，防止涂层过早的开裂与剥落。但是在服役过程中，粘接层与基体之间的元素扩散现象会影响复合结构的粘接效果，仍然是保证服役的安全性而不可忽视的问题。鉴于钛合金工件在航空航天领域工作环境的复杂性，单一的润滑减摩涂层难以满足实际使用的需求，而传统方法制备的陶瓷层+粘接层的热障涂层系统的结合强度不足，粘接层与基体金属之间的合金元素扩散也会进一步恶化涂层的结合效果。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有润滑减摩涂层存在的不足，本专利技术目的是提供一种在冷热交替环境中韧性好、热膨胀系数的梯度过渡、实现宽温域内润滑减摩的钛合金表面复合涂层，本专利技术的另一目的是提供一种抑制粘接层与基体金属元素互扩散的复合涂层的制备方法。技术方案：本专利技术所述的一种钛合金表面复合涂层，包括依次连接的钛合金基体、CoCrNiAlTi高熵合金涂层、NiCoCrAlY粘接层和YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层。进一步地，CoCrNiAlTi高熵合金涂层包含以下质量百分数的元素：Co20～24％，Cr20～22％，Ni22～24％，Al10～12％，其余为Ti。进一步地，NiCoCrAlY粘接层包含以下质量百分数的元素：Co22～25％，Cr20～24％，Al8～11.0％，Y0.5～0.8％，余量为Ni。进一步地，YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层包含以下质量百分数的物质：Zr65～68％，Y4～5％，Ag8～13％，其余为Mo。进一步地，CoCrNiAlTi高熵合金涂层的厚度为2～3μm，NiCoCrAlY粘接层的厚度为7.5～10μm，YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层的厚度为14～18μm。上述钛合金表面复合涂层的制备方法，包括以下步骤：S1：通过线切割将钛合金板材切割成15mm×15mm×4mm块状的钛合金基体，对钛合金基体表面进行抛光预处理；S2：利用双辉等离子表面冶金，以钛合金基体为工件极，CoCrNiAlTi和NiCoCrAlY靶材分别为两个源极，在钛合金基体的表面制备CoCrNiAlTi高熵合金涂层和NiCoCrAlY粘接层；S3：利用多弧离子镀，在NiCoCrAlY粘接层的表面制备YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层，温度为300～350℃，气压为0.7～0.9Pa，O2与Ar2流量比为1:7～8，偏压：200～250V，线圈电流为10～15A，弧电流为100～110A。进一步地，S2中，双辉等离子表面冶金包括以下步骤：S2.1：将钛合金基体、CoCrNiAlTi靶材和NiCoCrAlY靶材预处理后，放置于双辉等离子冶金炉体中；以钛合金基体为工件极，CoCrNiAlTi靶材和NiCoCrAlY靶材分别为两个源极，CoCrNiAlTi靶材包含以下质量百分数的元素：Co20～24％，Cr20～22％，Ni22～24％，Al10～12％，其余为Ti；NiCoCrAlY靶材包含以下质量百分数的元素：Ni42～45％，Co22～25％，Cr20～25％，Al8～12.0％，其余为Y；S2.2：将腔室抽真空至0.5Pa以下，通入氩气洗气3～4次，稳定气压，首先打开工件极电源和CoCrNiAlTi源极电源，制备CoCrNiAlTi高熵合金涂层，然后切换至NiCoCrAlY源极，制备NiCoCrAlY粘接层；S2.3：缓慢降压至0Pa，关闭氩气阀，抽真空至0.5Pa以下关闭设备，冷却至室温，完成CoCrNiAlTi高熵合金涂层、NiCoCrAlY粘接层的制备；CoCrNiAlTi高熵合金涂层的制备工艺参数为：源极电压950V～1000V，工件极电压550V～600V，工作气压40～42Pa，源极与工件极间距14～16mm，保温时间1～1.5h；NiCoCrAlY粘接层的制备工艺参数为：源极电压880V～920V，工件极电压480V～520V，工作气压36～40Pa，源极与工件极间距13～16mm，保温时间3～3.5h。进一步地，S3中，多弧离子镀包括以下步骤：S3.1：将S2所得试样用无水乙醇清洗，悬挂于多弧离子镀设备样品架上，清理靶材，关闭腔室；S3.2：打开机械泵，将腔室抽真空至1Pa以下，通入氩气洗气10min，打开分子泵抽真空度至0.01Pa以下，通入氩气使气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金表面复合涂层，其特征在于：包括依次连接的钛合金基体(1)、CoCrNiAlTi高熵合金涂层(2)、NiCoCrAlY粘接层(3)和YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层(4)。/n

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面复合涂层，其特征在于：包括依次连接的钛合金基体(1)、CoCrNiAlTi高熵合金涂层(2)、NiCoCrAlY粘接层(3)和YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层(4)。


2.根据权利要求1所述的一种钛合金表面复合涂层，其特征在于：所述CoCrNiAlTi高熵合金涂层(2)包含以下质量百分数的元素：Co20～24％，Cr20～22％，Ni22～24％，Al10～12％，其余为Ti。


3.根据权利要求1所述的一种钛合金表面复合涂层，其特征在于：所述NiCoCrAlY粘接层(3)包含以下质量百分数的元素：Co22～25％，Cr20～24％，Al8～11.0％，Y0.5～0.8％，余量为Ni。


4.根据权利要求1所述的一种钛合金表面复合涂层，其特征在于：所述YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层(4)包含以下质量百分数的物质：Zr65～68％，Y4～5％，Ag8～13％，其余为Mo。


5.根据权利要求1所述的一种钛合金表面复合涂层，其特征在于：所述CoCrNiAlTi高熵合金涂层(2)的厚度为2～3μm，所述NiCoCrAlY粘接层(3)的厚度为7.5～10μm，所述YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层(4)的厚度为14～18μm。


6.根据权利要求1～5任一所述的一种钛合金表面复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对钛合金基体(1)表面进行抛光预处理；
S2：利用双辉等离子表面冶金，以钛合金基体(1)为工件极，CoCrNiAlTi和NiCoCrAlY靶材分别为两个源极，在钛合金基体(1)的表面制备CoCrNiAlTi高熵合金涂层(2)和NiCoCrAlY粘接层(3)；
S3：利用多弧离子镀，在NiCoCrAlY粘接层(3)的表面制备YSZ-Ag-Mo高温固体自润滑涂层(4)，温度为300～350℃，气压为0.7～0.9Pa，O2与Ar2流量比为1:7～8，偏压：200～250V，线圈电流为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏东博，李民锋，张平则，李逢昆，党博，李淑琴，姚正军，
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