專利名稱：一種γ-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于抗高溫氧化和耐磨損涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
Y-TiAl合金的比重約為鎳基高溫合金的50%，其主要高溫力學(xué)性能指標(biāo)接近或優(yōu)于鎳基高溫合金，但較鎳基高溫合金具有更高的比強度和比彈性模量。因此Y-TiAl合金是替代鎳基合金，應(yīng)用于工業(yè)汽輪機、先進汽車或航空發(fā)動機高溫部件的新興重要減重材料。但Y-TiAl合金的一個重要缺陷是抗高溫氧化性能差，常壓高溫時(800 950°C )表面易出現(xiàn)連續(xù)氧化剝落；更為嚴(yán)重的是，在高溫、高壓、高速氣流沖刷的工況下，Y-TiAl 合金會發(fā)生突然的氧化燃燒，從氧化開始到燃燒結(jié)束僅需4-20秒，在如此短的時間內(nèi)采取滅火措施是不可能，這極大的限制了 Y-TiAl合金的使用范圍。同時，Y-TiAl合金摩擦學(xué)性能較差，存在嚴(yán)重的粘著磨損和微動磨損傾向。采用先進的表面工程技術(shù)手段，在Y-TiAl合金表面制備抗氧化、耐磨涂層是解決上述問題的有效方法之一。目前已取得一定研究成果的表面工程技術(shù)主要為等離子噴涂、離子注入、激光熔覆、PVD等；但各方法均存在一定的缺點，如離子噴涂涂層與基體結(jié)合性能差，離子注入表面深度較淺(< 5 um),激光熔覆表面易開裂，PVD工藝復(fù)雜、效率低等。共性的問題是上述的技術(shù)手段在Y-TiAl合金表面獲得的涂(鍍)層在高溫、循環(huán)應(yīng)力的作用下，很容易剝落而失去防護效果。因此，研發(fā)新型制備工藝和防護涂層，有效提高Y -TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性，成為亟待解決的關(guān)鍵問題?！半p輝等離子表面冶金技術(shù)”由于可以在相對較低溫度下(與傳統(tǒng)擴散涂層工藝比較)，快速制備與基體合金實現(xiàn)冶金結(jié)合的耐磨、防腐、抗高溫氧化等功能性涂層，近年來獲得廣泛的關(guān)注和研究。圖I為雙輝等離子表面冶金裝置的原理圖在一密封容器內(nèi)，設(shè)置陽極I (金屬外罩)、源極2(靶材)、陰極3 (被處理工件)。在陽極、陰極間及陽極、源極間分別外接一個直流可調(diào)壓電源4。當(dāng)爐內(nèi)抽真空達一定值后，通入氬氣，先接通陰極(工件)電源，加一定電壓，清潔工件表面，再通上源極電源，則在陽極與陰極間、陽極與源極間分別出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象，稱為雙層輝光放電。利用源極輝光濺射，將其中原子或離子轟擊出來，并高速飛向陰極(工件)表面。同時利用陽極與陰極間的輝光放電，使工件加熱、吸收擴散活性金屬原子(離子)，從而使工件表面形成一個含有靶材元素成分的涂層。目前，采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)提高Y-TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性能已有一定的研究。如2011年2月出版的《材料導(dǎo)報》第25卷第2期中“雙輝離子TiAl基合金表面Cr-Si共滲及改善其耐磨性能的研究” 一文中公開了一種在Y -TiAl合金表面進行Cr-Si共滲的工藝。2009年2月出版的《中國腐蝕與防護學(xué)報》第29卷第I期中“TiAl表面抗高溫氧化涂層研究”一文中公開了 TiAl合金表面雙層輝光離子滲Cr層在850°C的循環(huán)氧化行為。2005年6月出版的《中國工程科學(xué)》第7卷第6期中“雙輝等離子表面冶金技術(shù)的新進展”一文中總結(jié)了采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)提高鈦合金抗高溫氧化性能和耐磨性能的研究進展。目前，大量文獻公開了在鈦合金或Y-TiAl合金表面采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)將Al、Cr、Ni、Cu、Mo、W、C、Si等合金元素滲入達到耐磨、抗氧化的性能。因此，采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)可對Y-TiAl合金的耐磨性能和抗高溫氧化性能實現(xiàn)一定的提升。但由于現(xiàn)有公開的研究大多是在Y-TiAl合金表面制備一定厚度的合金層，其雖可以實現(xiàn)與基體的冶金結(jié)合，但單純的合金層對Y-TiAl合金的耐磨性和抗高溫氧化性能提升有限。特別是抗高溫氧化性能，高溫氧化時，單純的合金層存在一個被氧化為氧化物的過程，無法有效的阻隔氧的侵入；同時，由于Y-TiAl合金較高的使用溫度(> 700°C)，單純合金層的高溫防護能力不足。因此，單獨使用雙輝等離子表面冶金技術(shù)對Y-TiAl合金的高溫抗氧化性能和摩擦性能提升有限。離子滲氧技術(shù)是在鈦合金大氣壓下滲氧表面處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，由于可以實現(xiàn)直接在鈦合金表面制備出滲氧強化層，且工藝簡單，無污染而受到廣泛的關(guān)注。如2002年2月出版的《北京科技大學(xué)學(xué)報》第24卷第I期中“鈦等離子滲氧”一文中公開了一種鈦表面高硬度的抗磨表面改性層的制備方法。目前，離子滲氧技術(shù)主要用于提 升鈦合金的表面硬度和耐磨性能。同時，由于Y-TiAl合金極高的溶氧量，若將離子滲氧技術(shù)直接用于Y-TiAl合金抗高溫氧化防護時極易引發(fā)“氧脆”現(xiàn)象，大幅降低Y-TiAl合金的力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對Y -TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性差的缺點和現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明將雙輝等離子表面冶金技術(shù)和等離子離子滲氧技術(shù)結(jié)合，提供一種Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層及其制備方法，大幅提升Y-TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性。技術(shù)方案一種Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層,表面層為由Cr2O3和NiO2組成的氧化膜層，中間層為Cr-Ni合金層，涂層與基體間由Cr-Ni-Ti-Al互擴散層實現(xiàn)冶金集合。所述氧化膜層外層為Cr2O3膜，厚度為4飛U m，內(nèi)層為NiO2膜，厚度為2 3 um,氧化膜含氧量從涂層表層由外向內(nèi)梯度下降。氧化膜外層含氧量為1(T20% (wt)，沿氧化膜深度方向逐漸連續(xù)下降至(Tl0wt%，期間無成分突變點。Cr2O3膜與NiO2膜間結(jié)合緊密，無空洞。所述中間層為離子轟擊濺射沉積層，厚2 4 u m, Cr含量從Cr-Ni合金層表面由外向內(nèi)梯度下降，合金層外層Cr含量為5(T70% (wt)，沿合金層深度方向逐漸連續(xù)下降至Cr含量為2(T40% (wt)，期間無成分突變點。所述Cr-Ni-Ti-Al互擴散層為離子轟擊擴散層，由Cr、Ni、Al與Ti組成，厚 各元素含量從擴散層表面由外向內(nèi)梯度變化。Cr含量從2(T40% (wt)沿涂層深度
方向逐漸連續(xù)下降至0 % (被)，附含量從20 40% (wt)沿涂層深度方向逐漸連續(xù)下降至0% (wt)，Ti含量從0 % (wt)沿涂層深度方向逐漸連續(xù)上升至Y -TiAl合金基體Ti含量，Al含量從0 % (wt)沿涂層深度方向逐漸連續(xù)上升至Y-TiAl合金基體Al含量，期間Cr、Ni、Ti、Al含量均無成分突變點。
上述Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層的制備方法，先在Y-TiAl合金表面制備中間層，然后對中間層進行離子滲氧處理制備氧化膜層，步驟如下
1)將Y-TiAl合金和Cr-Ni合金靶材裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以Y -TiAl合金為工件極，以Cr-Ni合金祀材為源極；
2)抽真空至極限真空度，送入氬氣，啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為
靶材電壓:700 800 V ；
工件電壓400 500 V ;
気氣氣壓42 65 Pa ；、 靶材與工件間距10 15 mm;
保溫時間4 h ；
3)停止輝光，斷電，破真空至大氣壓下；
4)打開裝置，取出Cr-Ni合金靶材，完成中間層的制備；
5)關(guān)閉裝置，抽真空至極限真空度，送入氬氣，氧氣。啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為工件電壓:950 V ；
氣壓45 50 Pa ；
氬氧比1 1 ；
保溫時間1 h ;
6)停止輝光，斷電，完成氧化層的制備，得到抗高溫氧化和耐磨損涂層。采用的Cr-Ni合金祀材中成分配比為Cr占60 80wt%,余量為Ni。我們首次提出將雙輝等離子表面冶金技術(shù)和離子滲氧技術(shù)結(jié)合起來。首先在Y-TiAl合金表面制備一定厚度的Cr-Ni合金層，再采用離子滲氧技術(shù)將合金層表面氧化為Cr2O3和NiO2氧化物膜，制備不同體系的梯度涂層。此方法可大幅提升Y-TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性能。具體如下(I)該涂層表面為Cr2CVNiO2梯度體系氧化物薄膜，薄膜表面致密平整，無空洞和裂紋，抗氧化能力強，大幅提升了 Y -TiAl合金在900 IlOO0C的抗高溫氧化性能。(2)該涂層中存在離子濺射沉積的Cr-Ni合金層，該合金層組織致密，硬度高，大幅提升了 Y-TiAl合金的耐磨性能。(3)該涂層與基體間存在Cr-Ni-Ti-Al互擴散層，與基體實現(xiàn)了冶金結(jié)合，結(jié)合強度高。(4)該涂層制備技術(shù)無需專用的等離子滲氧裝置，使用雙輝等離子表面冶金裝置5小時內(nèi)可直接制備出涂層，較離子注入、激光熔覆、PVD等技術(shù)效率高，工藝簡單。(5)該涂層制備技術(shù)在制備過程中可實現(xiàn)涂層成分、組織、性能梯度分布，且不開裂。(6)該涂層制備技術(shù)首次將雙輝等離子表面冶金技術(shù)與等離子滲氧技術(shù)結(jié)合起來，為Y-TiAl合金表面抗高溫氧化涂層和耐磨性涂層的制備開辟了新的工藝方法。


圖I :雙輝等離子表面冶金裝置原理 圖2 Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層電鏡 其中1_陽極、2-源極、3-陰極，4-電源，5-Cr203膜，6_Ni02膜，7-Cr-Ni合金層，8-Cr-Ni-Ti-Al 互擴散層。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，完全可以在具體實施方式

所列數(shù)值的基礎(chǔ)上進行合理概括和推導(dǎo)。實施例I
(I)將Y-TiAl合金和Cr-Ni合金靶材裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以鈦合金為工件極，以Cr-Ni合金祀材為源極。Cr-Ni合金祀材成分配比為Cr占80wt%, Ni占20wt %。(2)抽真空至極限真空度，送入氬氣。啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)至如下值
靶材電壓700 V ；工件電壓400 V ；
気氣氣壓42 Pa ；
靶材與工件間距10 mm;
(3)4小時后停止輝光，斷電，破真空至大氣壓下。(4)打開裝置，取出Cr-Ni合金靶材。(5)關(guān)閉裝置，抽真空至極限真空度，送入氬氣，氧氣。啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)至如下值
工件電壓:950 V ；
氣壓45 Pa ；
氬氧比1 1
(6) I小時后停止輝光，斷電，完成抗高溫氧化和耐磨損的涂層的制備。該涂層表面組織致密均勻，無空洞、裂紋等缺陷，表面形貌完好，具有氧化陶瓷層的特質(zhì)。該涂層表面為Cr2O3/ NiO2梯度體系氧化物薄膜，Cr2O3薄膜厚約4 y m，NiO2薄膜約2 Um0該涂層中間為離子濺射沉積的Cr-Ni合金層，厚約2 Pm，該合金層組織致密，硬度高，由Cr-Ni金屬間化合物組成。該涂層與基體間存在Cr-Ni-Ti-Al互擴散層，厚約4Pm，與基體實現(xiàn)了冶金結(jié)合。該涂層具有高的硬度，為910HVai，遠高于Y-TiAl合金的硬度(240 260 HVai)。該涂層在室溫(20°C )及高溫(500°C )下磨損試驗結(jié)果表明復(fù)合涂層在室溫(20°C )的比磨損率較Y-TiAl合金降低了 77. 3%，而在高溫(500°C )的比磨損率較Y-TiAl合金的降低了 23. 7%。750°C、850°C、95(rC、105(rC恒溫氧化實驗結(jié)果表明Y-TiAl基體在750°C氧化40h后氧化膜出現(xiàn)開裂剝落現(xiàn)象，在850°C時氧化程度加劇，氧化層疏松易剝落；而該涂層在1050°C恒溫IOOh后，涂層結(jié)構(gòu)完整，氧化膜與基體之間具有良好的粘附性，顯著提高了Y-TiAl鈦合金的抗氧化性能。實施例2
(I)將Y-TiAl合金和Cr-Ni合金靶材裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以Y-TiAl合金為工件極，以Cr-Ni合金祀材為源極。Cr-Ni合金祀材成分配比為Cr占60wt%, Ni占 40wt %。(2)抽真空至極限真空度，送入氬氣。啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)至如下值
靶材電壓800 V ；工件電壓500 V ；
IS氣氣壓65 Pa ；
靶材與工件間距15 mm; (3)4小時后停止輝光，斷電，破真空至大氣壓下。(4)打開裝置，取出Cr-Ni合金靶材。(5)關(guān)閉裝置，抽真空至極限真空度，送入氬氣，氧氣。啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)至如下值
工件電壓:950 V ；
氣壓50 Pa ；
氬氧比1 1
(6)I小時后停止輝光，斷電，完成抗高溫氧化和耐磨損的涂層的制備。該涂層表面組織致密均勻，無空洞、裂紋等缺陷，表面形貌完好，具有氧化陶瓷層的特質(zhì)。該涂層表面為Cr2O3/ NiO2梯度體系氧化物薄膜，Cr2O3薄膜厚約6 y m，NiO2薄膜約3 Um0該涂層中間為離子濺射沉積的Cr-Ni合金層，厚約4 Pm，該合金層組織致密，硬度高，由Cr-Ni金屬間化合物組成。該涂層與基體間存在Cr-Ni-Ti-Al互擴散層，厚約6Pm，與基體實現(xiàn)了冶金結(jié)合。該涂層具有高的硬度，為940HVai，遠高于Y-TiAl合金的硬度(240 260 HVai)。該涂層在室溫(20°C )及高溫(500°C )下磨損試驗結(jié)果表明該涂層在室溫(20°C )的比磨損率較Y-TiAl合金降低了 81.6%，而在高溫(500°C)的比磨損率較Y-TiAl合金的降低了 26. 8%0750°c、850°c、95(rc、110(rc恒溫氧化實驗結(jié)果表明Y-TiAl基體在750°C氧化40h后氧化膜出現(xiàn)開裂剝落現(xiàn)象，在850°C時氧化程度加劇，氧化層疏松易剝落；而該涂層在1100°C恒溫IOOh后，涂層結(jié)構(gòu)完整，氧化膜與基體之間具有良好的粘附性，顯著提高了Y-TiAl鈦合金的抗氧化性能。
權(quán)利要求
1.ー種Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層,其特征在于表面層為由Cr2O3和NiO2組成的氧化膜層，中間層為Cr-Ni合金層，涂層與基體間由Cr-Ni-Ti-Al互擴散層實現(xiàn)冶金集合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層，其特征在干所述氧化膜層外層為Cr2O3膜，厚度為4飛Pm，內(nèi)層為NiO2膜，厚度為疒3 Pm，氧化膜層含氧量從涂層表層由外向內(nèi)梯度下降。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層，其特征在干所述中間層厚2 4 um, Cr含量從Cr-Ni合金層表面由外向內(nèi)梯度下降，無成分突變。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層，其特征在干所述Cr-Ni-Ti-Al互擴散層由Cr、Ni、Al與Ti組成，厚4 6 y m，，Cr、Ni含量從擴散層表面由外向內(nèi)梯度下降，Ti,Al含量從擴散層表面由外向內(nèi)梯度上升。
5.—種Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層的制備方法,其特征在于先在Y-TiAl合金表面制備中間層，然后對中間層進行離子滲氧處理制備氧化膜層，步驟如下 1)將Y-TiAl合金和Cr-Ni合金靶材裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以Y -TiAl合金為エ件極，以Cr-Ni合金祀材為源極； 2)抽真空，送入氬氣，啟動輝光，調(diào)試エ藝參數(shù)為 革巴材電壓:700 800 V ； エ件電壓400 500 V ; 気氣氣壓42 65 Pa ； 靶材與エ件間距10 15 mm; 保溫時間4 h ； 3)停止輝光，斷電，破真空至大氣壓下； 4)打開裝置，取出Cr-Ni合金靶材，完成中間層的制備； 5)關(guān)閉裝置，抽真空，送入氬氣，氧氣，啟動輝光，調(diào)試エ藝參數(shù)為 エ件電壓:950 V ； 氣壓45 50 Pa ； 氬氧比1 1 保溫時間I h ; 6)停止輝光，斷電，完成氧化層的制備，得到抗高溫氧化和耐磨損涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求書5所述Y-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層的制備方法，其特征在于采用的Cr-Ni合金祀材中成分配比為Cr占60 80% (wt),余量為Ni。
全文摘要
γ-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層，涂層表面為由Cr2O3和NiO2組成的氧化膜層，厚度為2~3μm；涂層中間為Cr-Ni合金層，厚2~4μm；涂層與基體間由Cr-Ni-Ti-Al互擴散層實現(xiàn)冶金集合，互擴散層厚4~6μm。該涂層表面Cr2O3和NiO2氧化膜組織致密，抗氧化能力強；中間Cr-Ni合金層組織均勻，硬度高，極大地提高了γ-TiAl合金耐磨性能；涂層通過Cr-Ni-Ti互擴散層與基體實現(xiàn)了冶金結(jié)合，結(jié)合強度高。該涂層制備工藝首次將雙輝等離子表面冶金技術(shù)與等離子滲氧技術(shù)結(jié)合起來，無需專用的等離子滲氧裝置，使用雙輝等離子表面冶金裝置5小時可直接制備出涂層，工藝簡單，效率高。
文檔編號B32B15/04GK102732833SQ201210216710
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者周金堂, 周鵬, 姚正軍, 張平則, 梁文萍, 繆強, 魏東博, 魏祥飛, 黃勇 申請人:南京航空航天大學(xué)