一種鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及抗高溫氧化和耐熱腐蝕涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦鋁合金表面即 抗高溫氧化又耐熱腐蝕的Al-Cr涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Ti-Al系金屬間化合物比強(qiáng)度高，其高溫強(qiáng)度和剛性都比Ni基和Ti基合金高，是 航空、航天飛行器理想的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。然而鈦鋁合金耐熱腐蝕性差、在超過650°C的 高溫下抗氧化能力急劇下降等缺陷，使得其應(yīng)用受到限制，不能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨?機(jī)等熱端部件的工作要求。為了使鈦鋁合金在保持良好的整體力學(xué)性能的前提下提高抗高 溫氧化和熱腐蝕性能，一個(gè)非常有效的途徑是在其表面施加適當(dāng)?shù)耐繉印?br>[0003] 針對(duì)上述問題，國內(nèi)外展開了大量高溫防護(hù)涂層的研宄，其中Al-Cr涂層因其"智 能型"的獨(dú)特設(shè)計(jì)成為研宄熱點(diǎn)。新型"智能涂層"的"應(yīng)變能力"來自涂層獨(dú)特的內(nèi)部兩 層保護(hù)設(shè)計(jì)。最外部是富鋁層，在高溫環(huán)境中可形成熱力學(xué)穩(wěn)定的致密Al 2OJ莫而發(fā)揮保護(hù) 作用。內(nèi)層是含鉻層，可以促進(jìn)Al的選擇性氧化，提高涂層的自修復(fù)能力，并在溫度較低時(shí) 阻止燃?xì)廨啓C(jī)中一些鹽類沉積物腐蝕進(jìn)入內(nèi)部而損害材料。
[0004] 到目前為止，Al-Cr涂層的制備主要包括粉末包埋、電弧離子鍍、離子液體鍍、 PVD (Physical Vapor Deposition,物理氣相沉積）等工藝。孫超，吳多利，姜肅猛等采用 電弧離子鍍沉積Cr和粉末包埋法滲Al的聯(lián)合工藝在鎳基高溫合金DSMll基體表面制備了 Al-Cr涂層，顯著地改善基體合金的高溫抗氧化性能，但該方法不能準(zhǔn)確控制涂層中的A1、 Cr含量。浙大的凌國平和李文川等采用離子液體鍍的方法在鋼鐵表面制備Al-Cr合金涂 層，可提高基材的抗高溫氧化、抗水真氣腐蝕和含硫介質(zhì)腐蝕，其不足之處是等離子液價(jià)格 昂貴。0ckada M和CimpriS D采用PVD的方法制備出Al/Cr、Al/Fe和Cr/Fe的復(fù)合涂層， 但是不適合大件或形狀復(fù)雜的零部件。并且采用上述方法制得的涂層容易在高溫、循環(huán)應(yīng) 力下剝落而失去防護(hù)作用。綜上所述，Al-Cr涂層的研宄與應(yīng)用已經(jīng)取得一些成就，但是總 體上看還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明利用加弧輝光等離子表面冶金技術(shù)，提供一種 鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層及其制備方法，涂層與基體之間冶金結(jié) 合，可大幅提尚欽錯(cuò)合金的抗尚溫氧化性能和熱腐蝕性能。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層，所述涂層從表面至鈦鋁合 金基體依次為富Al沉積層、Al-Cr合金層和Cr擴(kuò)散層，所述富Al沉積層中Al含量從外到 內(nèi)保持不變，在75~95wt %，其余為Cr ;所述Al-Cr合金層中Al含量從外到內(nèi)由富Al沉 積層中的Al含量梯度下降至鈦鋁合金基體中Al含量的70 %~100 %，其余為Cr，即Cr含 量從外到內(nèi)梯度上升；所述Cr擴(kuò)散層中Cr含量從外到內(nèi)由Al-Cr合金層中最內(nèi)層的Cr含 量梯度下降至同鈦鋁合金基體中的Cr含量，Al含量從外到內(nèi)由Al-Cr合金層中最內(nèi)層的 Al含量梯度上升至同鈦鋁合金基體中的Al含量，其余為鈦鋁合金基體中的其它各元素，其 它各元素從外到內(nèi)均由零梯度上升至同鈦鋁合金基體中的含量。
[0008] 所述鈦鋁合金包括 a 2-Ti3Al、γ -TiAl、O-Ti2AlNb。
[0009] 所述富Al沉積層的厚度為3~5 μ m ;A1-Cr合金層的厚度為5~8 μ m ;Cr擴(kuò)散層 的厚度為10~12 μ m。
[0010] 上述鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層的制備方法，先在鈦鋁合金 基體表面制備Cr擴(kuò)散層，然后在Cr擴(kuò)散層表面進(jìn)行滲鍍鋁處理制備Al-Cr合金層和富Al 沉積層，步驟如下：
[0011] 步驟一、將鈦鋁合金基體和純Cr靶材裝入加弧輝光等離子表面冶金裝置中，以鈦 鋁合金基體為工件極，以純Cr靶材為源極；
[0012] 步驟二、抽真空至5X10_4Pa~8X10_4Pa，送入氬氣，啟動(dòng)輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為： 電弧電流：50~70A ;工件偏壓：250~350V ;氬氣氣壓：0. 3~0. 5Pa ;靶材與工件間距： 150~200mm ;占空比：0. 2-0. 5 ;保溫時(shí)間：0. 5~Ih ;工作溫度：880~920°C ;
[0013] 步驟三、停止輝光，斷電，完成Cr擴(kuò)散層的制備；
[0014] 步驟四、將完成Cr擴(kuò)散層制備的試樣和純Al靶材裝入加弧輝光等離子表面冶金 裝置中，以完成Cr擴(kuò)散層制備的試樣為工件極，以純Al靶材為源極；
[0015] 步驟五、抽真空至5X KT4Pa~SXKT4Pa,送入氬氣，啟動(dòng)輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為： 電弧電流：20~35A ;工件偏壓：250~350V ;氬氣氣壓：0. 35~0. 5Pa ;靶材與工件間距： 150~200mm ;占空比：0. 2-0. 5 ;保溫時(shí)間：0. 5~Ih ;工作溫度：840~880°C ;
[0016] 步驟六、停止輝光，斷電，完成Al-Cr合金層和富Al沉積層的制備。
[0017] 步驟一所述鈦鋁合金基體包括a 2-Ti3Al、γ -TiAl、O-Ti2AlNb。
[0018] 步驟一所述純Cr靶材中Cr的純度為99. 999wt % ;步驟四所述純Al靶材中Al的 純度為 99. 999wt%。
[0019] 制備出的富Al沉積層的厚度為3~5 ym ;A1-Cr合金層的厚度為5~8 ym ;Cr擴(kuò) 散層的厚度為10~12 μm。
[0020] 本發(fā)明的有益效果：
[0021] 本發(fā)明在鈦鋁合金表面制備抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層，可以大幅度地提 高鈦合金的抗高溫氧化性和抗熱腐蝕性能。該涂層表面平整致密，無孔洞和裂紋。
[0022] (1)涂層表面最外層是一層富Al沉積層，組織均勻致密，在高溫時(shí)形成致密的 Al2O3氧化膜，抗氧化能力強(qiáng)，防止基體被進(jìn)一步氧化，解決了鈦鋁合金在650°C以上的高溫 抗氧化差的問題。
[0023] (2)該涂層中間為Al-Cr合金層，組織均勻致密，由AlCr化合物相如AlCr2、Al 8Cr5 等組成，可在長時(shí)間高溫服役時(shí)有效阻礙沉積層Al原子向基體內(nèi)快速擴(kuò)散。Cr的加入，提 高了涂層的塑性變形能力，防止了涂層的脆性，有效降低涂層的退化速度，增強(qiáng)了涂層的抗 熱腐蝕性。Al-Cr合金層不存在成分突變，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端這樣的強(qiáng)烈熱沖擊下，不易產(chǎn)生微 裂紋，因而可靠性較高。
[0024] (3)該涂層與基體之間存在Cr擴(kuò)散層，與基體實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。
[0025] (4)該涂層在制備中首次采用加弧輝光等離子表面冶金技術(shù)，該技術(shù)效率高，工藝 簡單，為鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層制備提供了新的工藝方法。
[0026] (5)該涂層制備技術(shù)與傳統(tǒng)離子鍍和粉末包埋法等相比，無需進(jìn)行后續(xù)的熱處理 工藝，可在制備過程中直接形成Al-Cr合金層和Cr擴(kuò)散層。
[0027] (6)該涂層制備技術(shù)在制備過程中可實(shí)現(xiàn)涂層成分、組織、性能梯度分布，且不開 裂。
[0028] 綜上，采用本發(fā)明的方法對(duì)鈦鋁合金零件表面進(jìn)行滲鍍處理，可賦予其在高溫長 期服役條件下具有優(yōu)良的抗氧化性能和耐熱腐蝕性能，而梯度成分的擴(kuò)散層的存在使其具 有可靠的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)良的抗熱震性能。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實(shí)施例1所得O-Ti2AlNb基合金表面Al-Cr涂層的電鏡圖；其中：I-富Al 沉積層；II-Al-Cr合金層；III-Cr擴(kuò)散層。
[0030] 圖2為實(shí)施例1所得O-Ti2AlNb基合金表面Al-Cr涂層在850°C下的恒溫氧化結(jié) 果圖。
[0031] 圖3為實(shí)施例2所得γ -TiAl合金表面Al-Cr涂層的截面線掃結(jié)果圖。
[0032] 圖4為實(shí)施例2所得γ -TiAl合金表面Al-Cr涂層在850°C下的熱腐蝕結(jié)果圖。
[0033]
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。下列實(shí)施例僅用于說明本發(fā) 明，但并不用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。
[0035] 一種鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層，所述鈦鋁合金包括 a 2-Ti3Al、γ-TiAKO-Ti2AlNb等鈦鋁金屬間化合物，所述涂層從表面至鈦鋁合金基體依次 為富Al沉積層、Al-Cr合金層和Cr擴(kuò)散層。所述富Al沉積層組織致密，無孔洞、裂紋等缺 陷，厚度為3~5 μ m，Al含量從外到內(nèi)保持不變，在75~95wt %，其余為Cr。所述Al-Cr 合金層厚度為5~8 μ m，Al含量從外到內(nèi)由富Al沉積層中的Al含量梯度下降至鈦鋁合金 基體中Al含量的70%~100%，其余為Cr，即Cr含量從外到內(nèi)梯度上升，期間無成分突變 點(diǎn)。所述Cr擴(kuò)散層實(shí)現(xiàn)了涂層與基體間冶金集合，厚度為10~12 μ m，Cr含量從外到內(nèi)由 Al-Cr合金層中最內(nèi)層的Cr含量梯度下降至同鈦鋁合金基體中的Cr含量，Al含量從外到 內(nèi)由Al-Cr合金層中最內(nèi)層的Al含量梯度上升至同鈦鋁合金基體中的Al含量，其余為鈦 鋁合金基體中的其它各元素，其它各元素從外到內(nèi)均由零梯度上升至同鈦鋁合金基體中的 含量。
[0036] 上述鈦鋁合金表面抗高溫氧化和耐熱腐蝕Al-Cr涂層的制備方法，先在鈦鋁合金 基體表面制備Cr擴(kuò)散層，然后在Cr擴(kuò)散層表面進(jìn)行滲鍍鋁處理制備Al-Cr合金層和富Al 沉積層，步驟如下：
[0037] 步驟一、將鈦鋁合金基體和純Cr靶材裝入加弧輝光等離子表面冶金裝置中， 以鈦鋁合金基體為工件極，以純Cr靶材為源極；其中，所述純Cr靶材中Cr的純度為 99. 999wt %。
[0038] 步驟二、抽真空至5X10_4Pa~8X10_4Pa，送入氬氣，啟動(dòng)輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為： 電弧電流：50~70A ;工件偏壓：250~350V ;氬氣氣壓：0. 3~0. 5Pa ;靶材與工件間距： 150~200mm ;占空比：0. 2-0. 5 ;保溫時(shí)間：0. 5~Ih ;工作溫度：880~920°C。
[0039] 步驟三、停止輝光，斷電，完成Cr擴(kuò)散層的制備。
[0040] 步驟四、將完成Cr擴(kuò)散層制備的試樣和純Al靶材裝入加弧輝光等離子表面冶金 裝置中，以完成Cr擴(kuò)散層制備的試樣為工件極，以純Al靶材為源極；其中，所述純Al靶材 中Al的純度為99. 999wt %。
[0041] 步驟五、抽真空至5X KT4Pa~SXKT4Pa,送入氬氣，啟動(dòng)輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為： 電弧電流：20~35A