一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，具體涉及一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl合金具有低密度，較高彈性模量以及良好的高溫強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。但其高溫抗氧化性能的不足無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求，因此發(fā)展適用于TiAl合金的高溫防護(hù)涂層是其應(yīng)用的重要前提之一。
[0003]目前人們針對(duì)γ-TiAl合金發(fā)展了滲鋁涂層、MCrAlY包覆涂層、TiAlCr涂層及氮化物涂層。上述涂層都顯著提高了TiAl合金的抗氧化性能，但存在以下缺點(diǎn):1)滲鋁涂層，制備涂層時(shí)易于出現(xiàn)貫穿性裂紋，氧化時(shí)可沿裂紋氧化，并產(chǎn)生橫向開(kāi)裂，影響其長(zhǎng)期氧化性能和力學(xué)性能；2)MCrAlY涂層氧化過(guò)程中涂層與TiAl合金發(fā)生嚴(yán)重的互擴(kuò)散，形成硬而脆的互擴(kuò)散帶，影響涂層體系的長(zhǎng)期抗氧化性能；3)TiAlCr涂層靶材較脆，不易熔煉，且涂層沉積效率低;從附圖1中可以觀察到，氧化lOOhrs后TiAl基體和NiCrAlY涂層之間發(fā)生了明顯的互擴(kuò)散，形成硬而脆的互擴(kuò)散帶，形成裂紋，顯著損害基材的力學(xué)性能;4)氮化物涂層內(nèi)應(yīng)力大且與TiAl合金基體相容性不好。
[0004]因此，如何在保證提高TiAl合金抗氧化性能的同時(shí)保證涂層與TiAl合金的界面匹配性及穩(wěn)定性成為發(fā)展TiAl合金高溫防護(hù)涂層的關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層及其制備方法，其涂層與TiAl合金界面相容性好，抗氧化性能優(yōu)異，應(yīng)變?nèi)菹薷摺?br>[0006]本發(fā)明是一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層，包括AlSiY底層和YSZ陶瓷面層；AlSiY底層采用真空電弧鍍制備，并進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散和濕吹砂處理;柱狀晶結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷面層采用電子束物理氣相沉積方法制備，呈典型柱狀晶結(jié)構(gòu)。
[0007 ]上述的提高TiAl合金氧化抗力的涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0008]一、采用真空電弧鍍方法在TiAl合金基體表面制備20μπι左右的AlSiY涂層，然后在1010?1080°C進(jìn)行真空擴(kuò)散熱處理2?4小時(shí)，制得擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層厚度為40?60μπι;
[0009]二、采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)方法，在AlSiY底層上制備YSZ陶瓷面層，陶瓷面層成分為6?8%Y203部分穩(wěn)定的Zr02，采用離子清洗5?10分鐘，利用電子束加熱TiAl合金基體至800?850°C，所制備的陶瓷面層呈典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)；
[0010]三、所制得的陶瓷面層在600?800°C進(jìn)行空氣穩(wěn)定化退火4?20小時(shí)。
[0011]本發(fā)明的有益效果如下:
[0012](1)、采用真空電弧鍍AlSiY涂層、后進(jìn)行真空擴(kuò)散熱處理所制備的底層與TiAl合金界面相容性好，抗氧化性能優(yōu)異，表面可以快速形成連續(xù)致密的A1203氧化膜。
[0013](2)、對(duì)擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層采用濕吹砂表面強(qiáng)化平整技術(shù)，可以提高防護(hù)涂層界面結(jié)合力，改善YSZ陶瓷面層結(jié)構(gòu)。
[0014](3)、采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)制備的柱狀晶結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷面層可以提高涂層的應(yīng)變?nèi)菹蓿岣叻雷o(hù)涂層抗冷熱循環(huán)能力。
[0015](4)、陶瓷面層制備過(guò)程中離子清洗、基體加熱等技術(shù)有助于去除界面污染物，提高防護(hù)涂層界面結(jié)合力。
[0016](5)、陶瓷面層后處理有助于提高陶瓷面層的組織穩(wěn)定性。
[0017](6)、所述防護(hù)涂層界面結(jié)合良好，抗氧化性能優(yōu)異，應(yīng)變?nèi)菹薷摺?br>【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為T(mén)iAl合金和NiCrAlY涂層恒溫氧化100小時(shí)后的截面形貌；
[0019]圖2為T(mén)iAl合金、擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層、擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層+EB-PVDYSZ陶瓷面層試樣在1000°C恒溫氧化100小時(shí)的氧化動(dòng)力學(xué)曲線；
[0020]圖3為T(mén)iAl合金、擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層、擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層+EB-PVDYSZ陶瓷面層試樣在1000°C恒溫氧化100小時(shí)后的宏觀形貌；
[0021 ]圖4為T(mén)iAl合金試樣1000°C恒溫氧化100小時(shí)后的表面形貌；
[0022]圖5為擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層的表面形貌；
[0023]圖6為擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層1000°C恒溫氧化100小時(shí)后的表面形貌；
[0024]圖7為擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層+EB-PVDYSZ陶瓷面層試樣1000°C恒溫氧化100小時(shí)后的截面形貌；
[0025]圖8為擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層+EB-PVDYSZ陶瓷面層試樣1000°C恒溫氧化100小時(shí)后的線掃描結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]采用真空電弧鍍方法在TiAl合金試樣基體表面制備20μπι左右的AlSiY涂層，然后在1010?1080°C進(jìn)行真空擴(kuò)散熱處理2?4小時(shí)，制得擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層厚度為40?60μπι。
[0027]對(duì)AlSiY底層進(jìn)行濕吹砂處理，并進(jìn)行超聲波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干;濕吹砂工藝參數(shù)為:白剛玉砂粒度為180?280目，剛玉砂含量20%?35%，風(fēng)壓0.15MPa?0.25MPa，吹砂距離為180mm?350mm。
[0028]將上述試樣安裝到專(zhuān)用夾具上并用高溫合金絲進(jìn)行緊固。
[0029]將試樣安裝到裝載室內(nèi)，打開(kāi)機(jī)械栗和羅茨栗，進(jìn)行抽真空，待主真空室、裝載室真空度分別低于5X10—2Pa，lPa時(shí)開(kāi)啟兩室之間的閘板閥，通入Ar氣，對(duì)試樣表面進(jìn)行離子轟擊清洗5?lOmin，目的是清除葉片表面污物，提高涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。
[0030]將離子清理后試樣及夾具移到主真空室，進(jìn)行YSZ陶瓷面層沉積。沉積YSZ面層工藝參數(shù)為:主真空室壓強(qiáng)不大于5 X 10—2Pa，電子槍電壓為17?20KV，靶材加熱電流為1.5A，工件轉(zhuǎn)速為15r/min，工件加熱溫度為800?850°C。
[0031]將沉積完YSZ陶瓷面層的試樣放于馬弗爐中進(jìn)行600?800°C空氣穩(wěn)定化退火4?20小時(shí)。
[0032]從附圖2可以看出，擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層、擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層+EB-PVDYSZ陶瓷面層顯著提高了 T iAl合金的抗氧化性能。
[0033]從附圖3可以看出，TiAl合金試樣氧化后表面氧化膜大量剝落，擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層、擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層+EB-PVDYSZ陶瓷面層試樣表面均光滑完整，無(wú)剝落現(xiàn)象;這說(shuō)明涂層界面結(jié)合力良好，具有良好的抗冷熱循環(huán)能力。
[0034]從附圖4可以看出，TiAl合金試樣氧化后形成層狀氧化膜，且表面氧化膜大量剝落。
[0035]從附圖5、6可以看出，擴(kuò)散態(tài)AlSiY涂層試樣氧化后表面氧化膜光滑完整，無(wú)剝落現(xiàn)象;這說(shuō)明涂層具有良好的抗氧化能力。
[0036]從附圖7、8可以看出，擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層與YSZ陶瓷面層界面處形成了一層連續(xù)致密的A1203氧化膜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層，其特征在于，該涂層包括AlSiY底層和YSZ陶瓷面層;AlSiY底層采用真空電弧鍍制備，并進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散和濕吹砂處理;柱狀晶結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷面層采用電子束物理氣相沉積方法制備，呈典型柱狀晶結(jié)構(gòu)。2.—種如權(quán)利要求1所述的提高TiAl合金氧化抗力的涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 一、采用真空電弧鍍方法在TiAl合金基體表面制備20μπι左右的AlSiY涂層，然后在1010?1080°C進(jìn)行真空擴(kuò)散熱處理2?4小時(shí)，制得擴(kuò)散態(tài)AlSiY底層厚度為40?60μπι; 二、采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)方法，在AlSiY底層上制備YSZ陶瓷面層，陶瓷面層成分為6?8% Y2O3部分穩(wěn)定的Zr02，米用離子清洗5?10分鐘，利用電子束加熱TiAl合金基體至800?850°C，所制備的陶瓷面層呈典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)； 三、所制得的陶瓷面層在600?800°C進(jìn)行空氣穩(wěn)定化退火4?20小時(shí)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，具體涉及一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層及其制備方法。本發(fā)明是一種提高TiAl合金氧化抗力的涂層，包括AlSiY底層和YSZ陶瓷面層；AlSiY底層采用真空電弧鍍制備，并進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散和濕吹砂處理；柱狀晶結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷面層采用電子束物理氣相沉積方法制備，呈典型柱狀晶結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的提高TiAl合金氧化抗力的涂層與TiAl合金界面相容性好，抗氧化性能優(yōu)異，應(yīng)變?nèi)菹薷摺?br>【IPC分類(lèi)】C23C14/06, C23C14/30, C23C14/16, C23C14/32
【公開(kāi)號(hào)】CN105463382
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510812754
【發(fā)明人】程玉賢, 王博, 張藝馨, 張春剛, 劉禮祥
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司
【公開(kāi)日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年11月20日