用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法。所述热障涂层包括TiAlCr抗氧化粘结层和位于TiAlCr抗氧化粘结层表面的稀土陶瓷隔热层；所述TiAlCr抗氧化粘结层的主要化学成分包括：Ti 20

【技术实现步骤摘要】
用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，特别涉及一种用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]高推重比是航空发动机的重要指标，涉及提高燃烧室温度和减轻发动机重量两个方面。目前，镍基高温合金是航空发动机上应用最广泛的材料，具有良好的高温力学性能。然而，镍基高温合金的服役温度极限在1100℃，已经接近其熔点的80
‑
90％，若要进一步提升镍基高温合金的服役温度将是很大的挑战。同时，镍基高温合金的密度大(8.9g/cm3)，制约了航空发动机的减重。
[0003]TiAl合金具有低密度(3.9
‑
4.1g/cm3)的特点，同时还具备优异的比强度，若替代镍基高温合金在发动机上得到应用，将极大减轻发动机的重量，提高发动机的效率。TiAl合金作为航空发动机材料，经过三代TiAl合金的研究发展，目前其服役温度极限在800
‑
900℃左右，因此在其表面制备热障涂层可进一步提升材料的服役温度。
[0004]航空发动机的服役环境恶劣，当在高温合金表面制备热障涂层时，不仅需要表面的涂层与基体有较高的结合强度，而且需要涂层体系有较好的界面相容性和抗热循环冲击性能。镍基高温合金表面制备NiCrAlY作为粘结层，已经成熟应用。然而，若将该种粘结层用于TiAl合金表面，高温服役状态下粘结层中的Ni元素会向基体发生严重的扩散，在基体表面生成脆性相，严重影响涂层与基体的结合性能，同时降低合金的力学性能。因此，如何解决粘结层与TiAl合金的界面相容性，是获得具有高抗热循环性能热障涂层材料的关键。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法。所述热障涂层的热导率低，可以有效隔热，同时所述热障涂层体系的热膨胀系数与基体的错配度小，在服役过程中产生的应力小，能够延长涂层的服役寿命；此外，所述热障涂层体系与基体的结合强度相对也较高。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种用于TiAl合金表面的热障涂层。所述热障涂层包括TiAlCr抗氧化粘结层和位于TiAlCr抗氧化粘结层表面的稀土陶瓷隔热层；所述TiAlCr抗氧化粘结层的主要化学成分包括：Ti 20
‑
40at.％，Al 40
‑
60at.％和Cr 10
‑
30at.％；所述稀土陶瓷隔热层的材料为稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土锆酸盐、稀土铝酸盐中的至少一种。
[0007]TiAlCr材料具有优异的抗氧化性，在TiAl合金表面作为抗氧化粘结层可起到阻挡TiAl合金与空气接触、防止基体氧化的作用。同时TiAlCr材料的Al含量较高，材料中的Al氧化优先于Ti被氧化，且该材料中存在较高含量的Cr，以上可以促进Al氧化物的生成，保证在涂层表面形成连续致密的Al2O3层。除此之外，TiAlCr材料与TiAl合金基体的元素和含量相近，使得TiAlCr抗氧化粘结层的热膨胀系数和化学相容性与TiAl合金基体匹配性较佳。
[0008]较佳地，所述TiAlCr抗氧化粘结层的厚度为20
‑
250μm，优选为80
‑
200μm。该热障涂
层体系中TiAlCr作为抗氧化粘结层。若TiAlCr抗氧化粘结层过薄则内部容易发生氧化，无法保护基体；若TiAlCr抗氧化粘结层过厚，则服役过程中会产生较大应力，导致涂层容易剥落失效。所述稀土陶瓷隔热层的厚度为150
‑
500μm，优选为200
‑
400μm。若稀土陶瓷隔热层较薄，隔热性能差；若稀土陶瓷隔热层较厚，则同样服役过程中会产生较大应力，导致涂层剥落失效。上述厚度范围的热障涂层体系综合性能最优。
[0009]较佳地，所述TiAlCr抗氧化粘结层和稀土陶瓷隔热层的厚度比为1:2.5
‑
1:4。该热障涂层中粘结层起到抗氧化和保护基体的作用，稀土陶瓷隔热层作为面层起到提高涂层隔热性能的功能。将上述比例控制在该范围内，可以避免粘结层厚面层薄导致隔热差，也可以阻止粘结层薄面层厚容易将粘结层全部氧化而无法有效保护基体。
[0010]较佳地，所述TiAlCr粘结层在室温
‑
1100℃的热膨胀系数为10.0
×
10
‑6‑
17.0
×
10
‑6K
‑1，优选为11
×
10
‑6‑
15
×
10
‑6K
‑1；所述稀土陶瓷隔热层在室温
‑
1200℃的热膨胀系数为6.0
×
10
‑6‑
10.0
×
10
‑6K
‑1。TiAl合金基体的热膨胀系数通常为9.0
×
10
‑6‑
14.0
×
10
‑6K
‑1。上述TiAlCr粘结层的热膨胀系数和基体相近，稀土陶瓷隔热层的热膨胀系数小于基体。将上述膨胀系数控制在该范围内，不仅可以控制稀土陶瓷隔热层和TiAlCr粘结层的热膨胀系数差值，而且可以尽可能控制上述涂层体系和基体的热膨胀系数差值，利于增加涂层体系的服役寿命。
[0011]作为优选，所述TiAlCr粘结层和稀土陶瓷隔热层的热膨胀系数的差值不超过7.0
×
10
‑6K
‑1。
[0012]较佳地，本专利技术所述热障涂层的总厚度为350
‑
450μm。
[0013]较佳地，所述热障涂层与TiAl合金基体的结合强度为25
‑
40MPa。
[0014]第二方面，本专利技术提供上述任一项所述的用于TiAl合金表面的热障涂层的制备方法。所述制备方法包括：采用真空等离子喷涂在TiAl合金表面制备TiAlCr抗氧化粘结层，采用大气等离子喷涂工艺在TiAlCr抗氧化粘结层表面制备稀土陶瓷隔热层。
[0015]较佳地，所述真空等离子喷涂的工艺参数为：功率35
‑
45kW，氩气流量40
‑
60slpm，氢气流量5
‑
10slpm，喷涂距离100
‑
300mm，送粉速率10
‑
35r/min。
[0016]较佳地，所述大气等离子喷涂的工艺参数为：功率35
‑
45kW，氩气流量30
‑
50slpm，氢气流量5
‑
15slpm，喷涂距离80
‑
200mm，送粉速率10
‑
35r/min。
附图说明
[0017]图1为用于TiAl合金表面的热障涂层的结构示意图，依包括TiAl合金基体、粘结层(也可以称为“TiAlCr抗氧化粘结层”)和面层(也可以称为“稀土陶瓷隔热层”)；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于TiAl合金表面的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层包括TiAlCr抗氧化粘结层和位于TiAlCr抗氧化粘结层表面的稀土陶瓷隔热层；所述TiAlCr抗氧化粘结层的主要化学成分包括：Ti 20
‑
40 at.%，Al 40
‑
60 at. %和Cr 10
‑
30 at. %；所述稀土陶瓷隔热层的材料为稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土锆酸盐、稀土铝酸盐中的至少一种。2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述TiAlCr抗氧化粘结层的厚度为20
‑
250μm，优选为80
‑
200μm；所述稀土陶瓷隔热层的厚度为150
‑
500μm，优选为200
‑
400μm。3.根据权利要求1或2所述的热障涂层，其特征在于，所述TiAlCr抗氧化粘结层和稀土陶瓷隔热层的厚度比为1:2.5
‑
1:4。4.根据权利要求1至3中任一项所述的热障涂层，其特征在于，所述TiAlCr粘结层在室温
‑
1100℃的热膨胀系数为10.0
×
10
‑6‑
17.0
×
10
‑6K
‑1，所述隔热陶瓷涂层在室温
‑
1200℃的热膨胀系数为6.0
×
10
‑6‑
10.0

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，潘洋洋，韩娣娟，黄利平，祁志祥，陈光，郑学斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：