-Al復(fù)合涂層制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金TiAl3-Al復(fù)合涂層制備方法，屬于表面技術(shù)領(lǐng)域，采用熱噴涂方法制備TiAl3-Al防護涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，具有非常優(yōu)異的物理和機械性質(zhì)，如低密度、高比強度、耐腐蝕性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、冶金等領(lǐng)域。但同時鈦合金也存在一定的缺點，比如高溫下極易氧化，且在合金表面形成不具保護作用的氧化物，氧化層下面的基體固溶大量的氧原子從而形成脆性富氧層，嚴(yán)重?fù)p害了合金的機械性能，影響了鈦合金的使用。
[0003]鈦合金在高溫使用時的防護技術(shù)研究受到了國內(nèi)外的重視與關(guān)注。鈦合金表面的氧化行為可以通過改變合金的成分和控制組織結(jié)構(gòu)來改善，其中，涂層技術(shù)既能讓鈦合金獲得最佳的力學(xué)性能，還能對其起到表面防護的作用。作為鈦合金表面高溫抗氧化及隔熱防護涂層應(yīng)滿足以下條件:(1)涂層高溫下長期工作的穩(wěn)定性；(2)涂層與基體的結(jié)合良好；(3)涂層對鈦合金基體性能不會產(chǎn)生有害影響；(4)涂層應(yīng)足夠致密，無孔隙、裂紋之類的。
[0004]高溫防護涂層通常分為兩種:擴散涂層和包覆涂層。擴散涂層有一個致命的缺點，就是涂層與基體的互擴散容易導(dǎo)致基體性能受到損害，對于鈦合金來說，影響尤為顯著。包覆涂層具有成本低，實用性高的特點。這類涂層不易與基體發(fā)生擴散；同時由于工藝溫度較低，對鈦合金的力學(xué)性能影響也較小。主要的涂層制備方法有熱噴涂(包括冷噴涂)、離子鍍膜、磁控濺射、CVD等。從涂層成分上可分為MCrAlY類、TiAIN類、搪瓷涂層、玻璃-陶瓷類涂層和T1-Al-X類等。近年來，T1-Al-X (X為Cr、Ag和W等)類涂層展現(xiàn)出優(yōu)良的高溫防護性能。這類涂層同基體有較好的相容性，同時，涂層化學(xué)成分與鈦合金基體間差異小，涂層同基體之間互擴散的程度較MCrAlY類涂層大幅降低。TiAlCr涂層的熱膨脹系數(shù)與基體相近，氧化膜具有良好的粘附性。研究表明，只有當(dāng)涂層中Cr含量大于10&七％時，高溫下才會形成連續(xù)的A1203氧化膜。隨著Cr含量增高，A1 203氧化膜增厚，但過高的Cr含量會導(dǎo)致涂層的脆性增大。最近的研究表明，Ag可以部分代替Cr發(fā)揮“第三元素”效應(yīng)，降低涂層中Cr含量。但是通過磁控濺射或者其他PVD技術(shù)的涂層沉積速度低，生產(chǎn)效率非常低，對于制備厚度較高的涂層難度較大，因此導(dǎo)致涂層的生產(chǎn)成本較高；同時，Ag的加入也使得涂層的制備成本進一步提高。T1-Al系金屬間化合物具有低密度、高比強度、高溫力學(xué)性能好、高溫抗氧化及耐腐蝕性能優(yōu)異等特點。其中TiAl3S度最小，且具有最好的高溫抗氧化性能。但是目前所報道的涂層幾乎都是需要涂層材料與基材進行原位反應(yīng)獲得TiAl3*層，由于需要進行后續(xù)的真空熱處理，涂層工藝較為復(fù)雜，并且涂層與基材的互擴散行為會嚴(yán)重影響基材的力學(xué)性能。另外，不管是PVD技術(shù)還是真空熱處理擴散技術(shù)，都需要在高真空條件下實現(xiàn)，技術(shù)工藝復(fù)雜，成本高昂，因真空腔體的有限，對工件尺寸也有較大的限制。這些涂層材料和涂層技術(shù)都不能滿足鈦合金對高溫防護涂層的低成本、高效需求。
[0005]低溫超音速火焰噴涂是在傳統(tǒng)超音速火焰噴涂基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型熱噴涂技術(shù)。通過對噴槍結(jié)構(gòu)進行改造，可以獲得低溫超音速的焰流，特別適合對熱和氧化敏感的粉末和基體。冷噴涂技術(shù)是近年來發(fā)展迅猛的新型熱噴涂技術(shù)，該工藝特點是焰流溫度低，一般低于金屬材料的熔點，主要是通過高速粒子撞擊基體后的塑性變形而形成致密的涂層。本發(fā)明擬直接采用TiAl3和純A1為原料，按一定比例機械混合后，采用低溫超音速火焰噴涂或冷噴涂技術(shù)直接形成涂層，A1粉的加入能一定程度上改善TiAljS性過大的缺點。這種方法操作方便，易于控制，非常適合于在大面積鈦合金工件表面高效制備防護涂層。包覆有高溫防護涂層的氧化試驗結(jié)果表明，涂層具有良好的高溫防護性能。國內(nèi)外未見此技術(shù)的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種鈦合金TiAl3_Al復(fù)合涂層制備方法，該涂層能夠大幅提高鈦合金的抗氧化性能；制備方法分別采用低溫超音速火焰噴涂技術(shù)或冷噴涂技術(shù)，該方法操作簡便，易于控制，形成的涂層質(zhì)量好。
[0007]本發(fā)明的鈦合金TiAl3-Al復(fù)合涂層制備方法步驟如下:
(1)1^13粉以及純A1粉按比例混合24h后，烘烤；
(2)將鈦合金表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用酒精超聲清洗，再對鈦合金表面進行噴砂處理，用酒精超聲清洗5~20min ；
(3)低溫超音速火焰噴涂方法或冷噴涂方法在鈦合金基材表面制備TiAl3-Al涂層。
[0008]步驟(1)所述的TiAl3粉和純A1粉的重量比為92:8~80:20，TiAl 3粉末粒徑為15-120 μ um，純 A1 粉粒徑為 10-100 μ m。
[0009]所述噴涂TiAl3-Al的涂層厚度為10~100 μ m。
[0010]所述低溫超音速火焰噴涂的工藝參數(shù):燃燒室壓力1.5-1.8MPa，粉末載氣為氮氣，流量8~10 1/min，噴槍移動速率700~1000mm/s，噴涂距離130~180mm。
[0011]所述冷噴涂的工藝參數(shù):采用氣體為氮氣，預(yù)熱溫度為500~800°C、壓力為
2.0-4.0MPa、噴槍移動速率50~200mm/s，噴涂距離20~50_。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點:
(1)本發(fā)明設(shè)計的涂層，對鈦合金的抗高溫氧化特別有效，且涂層對鈦合金基體的機械及物理性能不會產(chǎn)生不良影響。
[0013](2)本發(fā)明涂層采用低溫超音速火焰噴涂和冷噴涂方法制備，原料采用純金屬間化合物及純金屬粉末，機械混合后，噴涂到基體上制備出目標(biāo)涂層，涂層成分容易控制，操作簡單。
[0014](3)本發(fā)明的涂層厚度可控，涂層生產(chǎn)不需要進行高溫真空熱處理，工藝簡單，工件尺寸和形狀不受限制。
[0015](4)本發(fā)明具有環(huán)保、生產(chǎn)效率高的特點，且較其他涂層成本低。
【附圖說明】
[0016]圖1為實施例1的TiAl3_Al涂層的掃描電鏡照片；
圖2為實施例1的TiAl3-Al涂層700°C恒溫氧化動力學(xué)曲線； 圖3為實施例1的TiAl3-Al涂層700°C恒溫氧化500h后的掃描電鏡照片；
圖4為實施例2的TiAl3-Al涂層的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0018]實施例1
(1)粉末前處理:將粒度為15~120ymTiAl3粉以及粒度為10~100μπι純Α1粉按92:8重量比例機械混合24h，放入50°C烘箱中烘烤5h后取出待用。
[0019](2) TC4鈦合金基材前處理:將TC4鈦合金基體表面用砂紙打磨掉的毛刺，用酒精超聲清洗lOmin，再對TC4鈦合金基體表面進行噴砂處理，用酒精超聲清洗5min。
[0020](3)低溫超音速火焰噴涂涂層:TiAl3粉和純A1粉混合粉末為熱噴涂粉末，使用低溫超音速火焰噴涂設(shè)備在鈦合金基材表面制備TiAl3-Al涂層。工藝參數(shù)為:燃燒室壓力
1.8MPa，送粉載氣為氮氣，流量9 Ι/min,噴槍移動速率1000mm/s，噴涂距離150mm。
[0021 ] 本實施例TiAl3_A涂層厚度為20 土 5Mm。
[0022]由圖1的掃描電鏡可知，所制備的TiAl3_Al涂層與TC4合金基體結(jié)合良好，涂層致密。TiAl3-Al涂層全包覆TC4合金基體于700°C大氣環(huán)境下長時間的高溫氧化性能，根據(jù)圖2的氧化動力學(xué)曲線可知，試樣在200h內(nèi)持續(xù)增重，這說明涂層在為氧化增重；之后高溫氧化lOOOh后，試樣重量基本沒有變化，表明具有良好的抗高溫氧化效果。圖3高溫氧化后的涂層剖面掃描電鏡結(jié)果，涂層與TC4合金基體結(jié)合良好，并且沒有發(fā)生互擴散，涂層厚度沒有發(fā)生明顯變化，仍具有良好的高溫防護效果。說明涂層對TiAl3-Al對TC4鈦合金基體有著優(yōu)異的高溫防護效果。
[0023]實施例2
(1)粉末前處理:將粒度為15~120ymTiAl3粉以及粒度為10~100 μ m純Α1粉按80:20重量比例機械混合24h，放入40°C烘箱中烘烤6h后取出待用。
[0024](2) TC11鈦合金基材前處理:將TC11鈦合金表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用酒精超聲清洗lOmin，再對TC11鈦合金表面進行噴砂處理，用酒精超聲清洗5min。
[0025](3)冷噴涂涂層:TiAl3粉和純A1粉混合粉末為熱噴涂粉末，冷噴涂技術(shù)在TC11鈦合金基材表面制備TiAl3-Al涂層。工藝參數(shù)為:采用氣體為氮氣、預(yù)熱溫度為550°C、壓力為2.5MPa、噴槍移動速率100mm/s，噴涂距離30mm。
[0026]本實施例TiAl3-Al涂層厚度為40 土 5Mm。
[0027]由圖4可見，冷噴涂所制備的TiAl3-Al涂層與基體結(jié)合良好，涂層致密。
【主權(quán)項】
1.一種鈦合金TiAl 3-Α1復(fù)合涂層制備方法，其特征在于步驟如下: (1)1^13粉以及純A1粉按比例混合24h后，烘烤； (2)將鈦合金表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用酒精超聲清洗，再對鈦合金表面進行噴砂處理，用酒精超聲清洗5~20min ； (3)低溫超音速火焰噴涂方法或冷噴涂方法在鈦合金基材表面制備TiAl3-Al涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金TiAl3-A1復(fù)合涂層制備方法，其特征在于步驟(1)中所述TiAl3粉和純A1粉的重量比為92:8~80:20。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦合金TiAl3-A1復(fù)合涂層制備方法，其特征在于步驟(1)中所述TiAl3粉末粒徑為15~120 yum，純A1粉粒徑為10~100 μπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金TiAl3-A1復(fù)合涂層制備方法，其特征在于步驟(3)所述低溫超音速火焰噴涂的工藝參數(shù):燃燒室壓力1.5-1.8MPa，粉末載氣為氮氣，流量8~101/min，噴槍移動速率700~1000mm/s，噴涂距離130~180_。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金TiAl3-A1復(fù)合涂層制備方法，其特征在于步驟(3)所述冷噴涂的工藝參數(shù):采用氣體為氮氣，預(yù)熱溫度為500~800°C、壓力為2.0-4.0MPa、噴槍移動速率50~200mm/s，噴涂距離20~50mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金TiAl3-A1復(fù)合涂層制備方法，其特征在于所述噴涂TiAl3-Al 涂層厚度為 10~100 μπι。
【專利摘要】一種鈦合金TiAl3-Al復(fù)合涂層制備方法，其特征在于步驟如下：（1）TiAl3粉以及純Al粉按比例混合24h后，烘烤；（2）將鈦合金表面用砂紙打磨掉表面的毛刺，用酒精超聲清洗，再對鈦合金表面進行噴砂處理，用酒精超聲清洗5~20min；（3）低溫超音速火焰噴涂方法或冷噴涂方法在鈦合金基材表面制備TiAl3-Al涂層。本發(fā)明提供一種鈦合金TiAl3-Al復(fù)合涂層制備方法，該涂層能夠大幅提高鈦合金的抗氧化性能；制備方法分別采用低溫超音速火焰噴涂技術(shù)或冷噴涂技術(shù)，該方法操作簡便，易于控制，形成的涂層質(zhì)量好。
【IPC分類】C23C4/08, C23C4/129
【公開號】CN105401116
【申請?zhí)枴緾N201510820050
【發(fā)明人】劉敏, 鄧春明, 楊文瀑, 張吉阜, 鄧暢光, 毛杰, 鄺子奇, 周克崧
【申請人】廣州有色金屬研究院
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年11月24日