一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层及其制备方法，所述涂层由铝改性过渡层和喷涂在该过渡层表面的纳米结构陶瓷层组成，其中，过渡层的厚度为30～35μm，陶瓷层的厚度为90～95μm。本发明专利技术公开一种800℃高温抗氧化涂层，该涂层是由多弧离子镀技术和大气等离子喷涂技术相结合的方法制备完成，该涂层可以有效提高合金的抗氧化性能，同时保持TiAl合金的力学性能，以满足在高温环境的使用要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属的抗氧化涂层
，具体为一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]γ
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TiAl合金是一种应用前景十分广泛的工程材料，它将被应用在航空航天、交通运输和汽车等行业。γ
‑
TiAl合金作为一种轻质高温材料，其密度仅为4g/cm3左右，且有着优良的高温强度、耐蚀性和抗蠕变性，被认为是发动机650～1000℃的最佳候选材料。到目前为止，只有Boeing公司首先将Ti
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48Al
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2Cr
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2Nb(at.％)合金成功应用在GE
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nx90发动机第6、7级低压叶片上。然而，γ
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TiAl合金在750
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800℃以上抗氧化性能严重不足限制了TiAl基合金的高温应用。
[0003]改善γ
‑
TiAl基合金高温抗氧化性的最佳途径是表面处理技术，近年来，许多高温抗氧化涂层逐渐用于γ
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TiAl基合金，并取得了良好的效果，主要包括金属涂层；陶瓷涂层；热障涂层(TBCs)等。对于金属涂层，MCrAlY系涂层是应用较多的合金类涂层，主要用于高温合金的抗氧化防护或热障涂层体系中基体与陶瓷涂层间的粘结，具有优异的抗氧化性能。但在高温氧化过程中，该涂层与基体之间普遍存在反应扩散行为，会导致涂层迅速退化和失效。对于陶瓷涂层，在高温氧化过程中可以有效的阻挡氧的扩散，并且基体与涂层之间不会发生相互扩散，可以有效提高TiAl基合金的机械性能。但是大部分陶瓷涂层和基体合金之间的相容性较差，而且涂层存在较大的内应力，剥落、开裂等缺陷极易产生。热障涂层通常由隔热陶瓷面层和抗氧化合金粘结层两部分组成，由于陶瓷与基体合金的热膨胀系数相差很大，当温度场变化时，陶瓷/粘结层界面出现较大热应力，可能导致涂层破坏。因此，对TiAl合金进行表面改性及涂层技术，既能将基体和涂层材料的优点有机地结合起来，发挥两者的综合优势，又不损害基体材料的整体力学性能，成为提高TiAl基合金抗高温氧化性能的有效途径。
[0004]一种有效的提高TiA1基合金的高温抗氧化方法是形成可以促进形成稳定并且连续的Al2O3层的TiA13涂层。许多学者报道可以通过Al的扩散获得紧密的少缺陷的TiA13涂层。
[0005]文献“Optimized coating procedure for the protection of TiAl intermetallic alloy against high temperature oxidation”中提到，采用PVD方法获得20μm厚的TiA13涂层，高温氧化处理后发现，涂层的失效由于涂层的厚度不足引起。
[0006]文献“Oxidation
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resistant aluminide coatings onγ
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TiAl”中提到，通过渗铝在Ti
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50Al合金基体中获得30μm厚的TiA13涂层，在900℃空气中暴露300h形成TiA12层。由于这两种相的本征脆性，最终贯穿的裂纹导致涂层的失效。
[0007]因此提高TiA13涂层的韧性是一个重要的问题，热障涂层为解决这个问题提供良好的途径。用作TBC面层的陶瓷涂层应具备塑韧性好、抗热震能力强、热膨胀系数大、热导率小等重要性能。与常规材料相比较，纳米材料恰好具备了上述的多种优势。纳米陶瓷的塑韧
性大幅度的提高，抗热冲击和抗断裂能力相应增强。
[0008]文献“Thermal shock resistances of nanostructured and conventional zirconia coatings deposited by atmospheric plasma spraying”中提到，采用大气等离子喷涂技术分别制备出颗粒尺寸为60
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100μm的一般ZrO2镀层与尺寸为60
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80nm的纳米ZrO2镀层。结果发现，纳米热障涂层在循环氧化过程中逐渐出现纵向裂纹，但是没有横向裂纹；而常规热障涂层中同时产生纵向及横向裂纹。当纳米陶瓷用作TBC面层时，陶瓷面层与合金粘结层间的热膨胀系数差值减小，热应力降低，TBC开裂的可能相应减少。
[0009]因此，比较传统涂层，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀等方面有明显的改善，急需制备一种可以提高TiA1基合金使用温度的纳米热障涂层。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层及其制备方法，解决了
技术介绍
中所提出的问题。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层，所述涂层由铝改性过渡层和喷涂在该过渡层表面的纳米结构陶瓷层组成，其中，过渡层的厚度为30～35μm，陶瓷层的厚度为90～95μm。
[0012]作为本专利技术的一种优选实施方式，所述的陶瓷层是由87wt.％的Al2O3和13wt.％TiO2的混合纳米粉末喷涂而成；所述的混合纳米粉末的粒径为d
50
＝42μm；过渡层是由纯铝层经过扩散热处理后形成TiAl3过渡层。
[0013]本专利技术还涉及一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层制备方法，具体的过程如下：
[0014]步骤1：试样的准备；
[0015]步骤2：试样喷砂处理；
[0016]步骤3：过渡层制备：
[0017]利用多弧离子镀技术在TiAl合金表面镀纯铝层，采用的工艺参数为：偏压为
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200V、工作气压为2Pa、弧电流为90A、极间距为500mm、沉积时间为4h。
[0018]为了促进涂层中形成完整以及致密的Al2O3层，对于制备的纯铝层进行扩散热处理实验使其转变为TiAl3层。本试验采用真空高温管式气氛炉，在200℃以上时开启氩气保护，试验参数为800℃、保温2小时，至此粘结层的制备过程完成。
[0019]步骤4：纳米陶瓷层制备：
[0020]将上述所述的混合纳米粉喷涂到制备好粘结层的表面，获得表面陶瓷层。该陶瓷层的厚度为90
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95μm。喷涂电压为35～40V；喷涂电流为700～750A；喷涂距离为80～90mm；等离子喷涂系统的送份率为3rpm；喷枪移动速率为500mm/min。
[0021]至此，完成了所述TiAl合金表面高温抗氧化涂层的制备过程。
[0022]作为本专利技术的一种优选实施方式，在进行试样的喷砂处理时，利用50
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70目的刚玉砂对喷涂试样进行喷砂处理，使合金表面粗糙度达到3～5μm；在80℃环境下对喷涂粉末进行烘干处理，烘干2h。
[0023]作为本专利技术的一种优选实施方式，喷涂制备陶瓷涂层的过程中，同时以Ar和He为工作气体，Ar的压力为0.4～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层，其特征在于：所述涂层由铝改性过渡层和喷涂在该过渡层表面的纳米结构陶瓷层组成，其中，过渡层的厚度为30～35μm，陶瓷层的厚度为90～95μm。2.根据权利要求1所述的一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层，其特征在于：所述的陶瓷层是由87wt.％的Al2O3和13wt.％TiO2的混合纳米粉末喷涂而成；所述的混合纳米粉末的粒径为d
50
＝42μm；过渡层是由纯铝层经过扩散热处理后形成TiAl3过渡层。3.根据权利要求1
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2所述的一种TiAl合金高温抗氧化纳米热障涂层制备方法，其特征在于：具体的过程如下：步骤1：试样的准备；步骤2：试样喷砂处理；步骤3：过渡层制备：利用多弧离子镀技术在TiAl合金表面镀纯铝层，采用的工艺参数为：偏压为
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200V、工作气压为2Pa、弧电流为90A、极间距为500mm、沉积时间为4h。为了促进涂层中形成完整以及致密的Al2O3层，对于制备的纯铝层进行扩散热处理实验使其转变为TiAl3层。本试验采用真空高温管式气氛炉，在2...

【专利技术属性】
技术研发人员：何坛，刘凌，张永建，尹志福，李雷，穆耀钊，谢燕翔，余文涛，董忍娥，余历军，王一凡，
申请(专利权)人：西安文理学院，
类型：发明
国别省市：