一种用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化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TiAlCr抗氧化涂层及其制备方法。所述TiAlCr抗氧化涂层的主要化学组成包括：Ti 20

【技术实现步骤摘要】
一种用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂层及其制备方法


[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TiAlCr抗氧化涂层及其制备方法。

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在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。镍基高温合金的服役温度极限在1100℃，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一个很大的挑战。而且，镍基高温合金的密度大(8.9g/cm3)，这制约了航空发动机的减重。
[0003]TiAl合金具有密度低(3.9
‑
4.1g/cm3)、比强度高的特点。TiAl合金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和提高发动机的效率。TiAl合金作为航空发动机材料，经过三代TiAl合金的研究发展，服役温度极限在800
‑
900℃左右。但是TiAl合金的高温抗氧化性能不足是制约其高温应用的关键因素，主要原因为TiO2和Al2O3的吉布斯生成自由能接近，使Ti与Al在高温有氧环境下发生竞争氧化，生成TiO2和Al2O3混合氧化膜。该氧化膜中TiO2呈片状，疏松多孔，易于剥落，不具备保护性。当在合金表面制备抗氧化涂层用于服役环境恶劣的航空发动机时，不仅需要涂层与合金间有较高的结合强度，而且应具有良好的界面稳定性。
[0004]MCrAlY(M＝Ni和/或Co)具有良好的高温抗氧化性能，是目前应用成熟的抗氧化涂层材料，在镍基高温合金上服役性能良好。但MCrAlY涂层与TiAl合金间存在较大的化学成分差异，涂层与合金在高温下会发生严重的元素互扩散，导致涂层中的Ni元素迅速流失、涂层内产生大量柯肯达尔孔洞、涂层与合金界面处生成硬脆特征明显的Ni2(Ti,Al)相和Ni(Ti,Al)2相，从而严重影响涂层与合金的结合性能以及降低合金的力学性能。另外，MCrAlY涂层的热膨胀系数(16
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10
‑6K
‑1‑
20
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‑1))与TiAl合金(11
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‑1‑
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‑1))相差较大，不利于高温下涂层与合金的结合，导致涂层寿命较低。因此，如何解决抗氧化涂层与TiAl合金的界面相容性，是获得具有高性能抗氧化涂层材料的关键。

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TiAlCr抗氧化涂层及其制备方法。所述TiAlCr抗氧化涂层具有熔点高、与TiAl合金化学相容性好的特点，在高温下TiAlCr抗氧化涂层与TiAl合金之间无明显互扩散，涂层稳定性良好。而且，所述TiAlCr抗氧化涂层存在大量的Al/Cr元素，保证涂层具有生成连续致密Al2O3相的能力，能够有效在高温下保护TiAl合金。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂层。TiAl合金也可以称为TiAl基体。所述TiAlCr抗氧化涂层的化学组成包括：Ti 20
‑
40at.％，Al 40
‑
60at.％和Cr 10
‑
30at.％。上述比例指的是摩尔百分比。
[0007]本专利技术所述TiAlCr抗氧化涂层与TiAl合金成分相近，Ti、Al元素的添加使涂层与合金保持了良好的化学相容性，大量Al元素的引入使涂层具备生成连续Al2O3膜的能力，Cr元素也可进一步促进表面Al2O3膜的形成。这可以避免TiAl合金与抗氧化涂层由于化学失配而引起互扩散以及过多涂层界面使得涂层界面之间或者涂层与合金的热物理性能差异大引起涂层体系的结合性能不足。
[0008]较佳地，所述TiAlCr抗氧化涂层的厚度为20
‑
250μm，优选为80
‑
200μm，更优选为80
‑
130μm。这样可以使涂层具备良好的抗氧化性和较低的界面应力。
[0009]较佳地，所述TiAlCr抗氧化涂层在室温
‑
1100℃的热膨胀系数为10.0
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17.0
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‑1。该涂层与合金的热膨胀系数较接近，如此在热循环下产生的应力较小，涂层结合性能良好。
[0010]较佳地，所述TiAlCr抗氧化涂层的化学组成还包括部分稀土元素。所述稀土元素包括Ce、Gd、Yb、Lu、Er、Y和Hf中的至少一种。作为优选，所述TiAlCr抗氧化涂层的化学组成还包括5at.％以下的Ce、Gd、Yb、Lu、Er、Y和Hf中的至少一种。适当含量和种类的稀土元素可以钉扎氧化膜，提高氧化膜的抗剥落能力，但是过量的稀土元素会加剧涂层的内氧化。
[0011]较佳地，所述TiAlCr抗氧化涂层在高温950
‑
1100℃氧化50
‑
200h后在TiAl合金表面形成富α
‑
Al2O3相的致密层。
[0012]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TiAlCr抗氧化涂层的制备方法。所述制备方法包括：以TiAlCr粉末为原料，通过真空等离子喷涂在TiAl合金表面上沉积TiAlCr抗氧化涂层。采用真空等离子喷涂制备TiAlCr抗氧化涂层，工艺简单，厚度范围可调，重复性良好，沉积效率高，适合工业化生产。
[0013]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。
[0014]较佳地，所述TiAlCr粉末的粒径为10
‑
140μm。
[0015]较佳地，所述制备方法还包括：将沉积完成后的试样进行热处理；所述热处理气氛为氩气或真空；热处理温度为800
‑
1200℃，热处理时间为4
‑
20h。
[0016]较佳地，所述制备方法还包括：在真空等离子喷涂之前对TiAl合金进行喷砂预处理；喷砂压力为0.1
‑
0.6MPa。
附图说明
[0017]图1为TiAl合金、TiACr涂层、NiCrAlY涂层的热膨胀系数曲线；图2为TiAl合金和抗氧化涂层的结构示意图；图3是实施例1的热处理后的TiAl合金/TiAlCr抗氧化涂层的表面微观形貌图(a)和截面微观形貌图(b)；图4为实施例1的TiAl合金/TiAlCr抗氧化涂层在950℃循环氧化200h后的截面微观形貌图和元素分布图；图5为实施例2的TiAl单晶/T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TiAlCr抗氧化涂层，其特征在于，所述TiAlCr抗氧化涂层的主要化学组成包括：Ti 20
‑
40 at.%，Al 40
‑
60 at.%和Cr 10
‑
30 at.%。2.根据权利要求1所述的TiAlCr抗氧化涂层，其特征在于，所述TiAlCr抗氧化涂层的厚度为20
‑
250 μm，优选为80
‑
200 μm，更优选为80
‑
130 μm。3.根据权利要求1或2所述的TiAlCr抗氧化涂层，其特征在于，所述TiAlCr抗氧化涂层在室温
‑
1100℃的热膨胀系数为10.0
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10
‑
6 K
‑1‑
17.0
×
10
‑
6 K
‑1。4.根据权利要求1至3中任一项所述的TiAlCr抗氧化涂层，其特征在于，所述TiAlCr抗氧化涂层的化学组成还包括5 at.%以下的稀土元素；所述稀土元素包括Ce、Gd、Yb、Lu、Er、Y和 Hf中的至少一种。5.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，韩娣娟，潘洋洋，钟鑫，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：