CN101748466A

CN101748466A - 一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法

Info

Publication number: CN101748466A
Application number: CN200910312903A
Authority: CN
Inventors: 辛铁柱; 孙秋; 姚忠平; 贾方舟; 姜兆华; 王福平
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2010-06-23

Abstract

一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，它涉及钛合金基体上涂层的制备方法，解决现有钛合金表面耐高温高发射率涂层结合力低、热震性能差的问题。方法如下：一、钛合金打磨、清洗；二、将主盐和添加剂配成电解液；三、钛合金置于装有电解液的不锈钢槽体中，钛合金为阳极、槽体为阴极，在脉冲电压为350V～600V、频率为50Hz～3000Hz、占空比为10％～45％、电解液温度为20℃～40℃条件下氧化10min～90min。涂层发射率为0.6～1.0，涂层结合力强，其拉伸强度≥30MPa，剪切强度为15MPa～25MPa，从700℃到室温热震循环100次，不脱落，可以用于高超声速飞行器的外蒙皮涂层。

Description

一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金基体上涂层的制备方法。

背景技术

高超声速飞行器在飞行过程中，飞行器周围的空气因受剧烈压缩而出现极其严重的气动加热现象，如果没有可靠的热防护措施，飞行器的推进系统连同其他子系统，如航电系统、飞控系统等将暴露在高温下，使飞行器损坏。钛合金由于其比重小、强度高和耐高温的特点而越来越多的被作为外蒙皮应用于高超声速飞行器上。但钛合金表面发射率低，飞行器高速飞行时产生的热量易向飞行器内部传递，使飞行器内部的电子器件受损，所以需要在钛合金表面制备一层耐高温高发射率涂层，现有的耐高温高发射率涂层主要有三类：一是通过电化学方法在基体表面沉积的阳极氧化物涂层；二是将高发射率氧化物粉末分散于胶黏剂中后涂覆到基体表面；三是用溶胶凝胶法直接涂覆后再经热处理制备高发射率涂层。上述方法制备的涂层与基体的结合力≤10MPa，在700℃至室温范围内的热震试验中，涂层中的有机物分解或者仅能承受几次循环，随着现代飞行器飞行速度的不断增加，气动加热愈加严重，这三种方法制备的涂层使用的局限性越来越明显。

发明内容

本发明的是为了解决现有钛合金基体上耐高温高发射率涂层的结合力低、热震性能差的问题，而提供一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法。

本发明的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法按以下步骤进行：一、将钛合金的表面用2000号砂纸打磨去掉表面的氧化层，然后放入丙酮中超声清洗3min～10min；二、按主盐浓度为5g/L～50g/L和添加剂浓度为2g/L～20g/L称取主盐和添加剂，配制成水溶液，得到电解液；三、将经步骤一处理的钛合金置于装有经步骤二配制的电解液的不锈钢槽体中，以钛合金做阳极、不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在脉冲电压为350V～600V、频率为50Hz～3000Hz、占空比为10％～45％、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～90min，即可在钛合金基体上制备耐高温高发射率涂层；其中步骤二中所述的主盐为磷酸三钠、硅酸钠和偏铝酸钠中的一种或其中几种的组合；步骤二中所述的添加剂为乙酸钴、硫酸亚铁、乙酸镍、乙酸铜、重铬酸钾和乙酸锰中的一种或其中几种的组合。

所述的钛合金为TC4或TA15；

利用微弧氧化技术使钛合金表面上的氧化层处于微等离子体的高温高压的作用下而发生相和结构的变化，制备的涂层为原位生长，与基底是冶金结合，结合力好，具有良好的韧性、耐腐蚀、耐磨特性及良好的绝缘性，而且微弧放电区瞬间高温高压过程对基体未氧化的区域没有影响，涂层颜色、相组成、厚度、力学性能通过工艺参数(电参数、电解质等)的调节在较宽的范围内可控，设备简单、操作方便，经济高效，生产过程中无需气氛保护或真空条件，制备过程无环境污染性废液及废气的排放是一种绿色环保型制备方法。本发明利用微弧氧化技术制备的膜层与基体结合力强的优点，通过电解液配方的调整及微弧氧化工艺的控制，将高红外发射的过渡金属元素铁、钴、镍、铜、铬及锰等引入微弧氧化膜层中。本发明方法得到的氧化物涂层厚度为5μm～50μm，粗糙度Ra为2μm～4μm；涂层是在基体上原位生长的，比沉积和涂覆的涂层结合力好，其拉伸强度≥30MPa，剪切强度为15MPa～25MPa；涂层热震性能好，在700℃下保温100小时，700℃到室温热震循环100次，涂层不脱落，由此也可以看出涂层的结合力高；在测试条件为700℃的温度下，红外波长为3μm～8μm时涂层的发射率为0.6～0.9，红外波长为8μm～20μm时涂层的发射率为0.8～1.0。

附图说明

图1是具体实施方式十七制备的涂层的X射线衍射图；图2是具体实施方式十七制备的涂层的扫描电镜图；图3是具体实施方式十七制备的涂层的电子能谱分析图；图4是具体实施方式十七制备的涂层的发射率谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法按以下步骤进行：一、将钛合金的表面用2000号砂纸打磨去掉表面的氧化层，然后放入丙酮中超声清洗3min～10min；二、按主盐浓度为5g/L～50g/L和添加剂浓度为2g/L～20g/L称取主盐和添加剂，配制成水溶液，得到电解液；三、将经步骤一处理的钛合金置于装有经步骤二配制的电解液的不锈钢槽体中，以钛合金做阳极、不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在脉冲电压为350V～600V、频率为50Hz～3000Hz、占空比为10％～45％、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～90min，即可在钛合金基体上制备耐高温高发射率涂层；其中步骤二中所述的主盐为磷酸三钠、硅酸钠和偏铝酸钠中的一种或其中几种的组合；步骤二中所述的添加剂为乙酸钴、硫酸亚铁、乙酸镍、乙酸铜、重铬酸钾和乙酸锰中的一种或其中几种的组合。

本实施方式的主盐为组合物时，各种主盐按任意比例混合；添加剂为组合物时，各种添加剂按任意比例混合。

本实施方式得到的氧化物涂层厚度为5μm～50μm，粗糙度Ra为2μm～4μm；涂层原位生长，与基体结合良好，拉伸强度≥30MPa，剪切强度为15MPa～25MPa；涂层热震性能好，在700℃下保温100小时，700℃到室温热震循环100次，涂层不脱落，结合力高；在测试条件为700℃的温度下，红外波长为3μm～8μm时涂层的发射率为0.6～0.9，红外波长为8μm～20μm时涂层的发射率为0.8～1.0。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的钛合金为TC4或TA15。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中钛合金在丙酮中超声清洗4min～8min。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤一中钛合金在丙酮中超声清洗5min。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：步骤二中所述的主盐的浓度为10g/L～45g/L、添加剂的浓度为5g/L～15g/L。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：步骤二中所述的主盐的浓度为25g/L、添加剂的浓度为10g/L。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：步骤三中所述的脉冲电压为380V～550V。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：步骤三中所述的脉冲电压为450V。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：步骤三中所述的频率为100Hz～2500Hz。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：步骤三中所述的频率为1000Hz。其它与具体实施方式一至九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十不同的是：步骤三中所述的占空比为15％～40％。其它与具体实施方式一至十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一不同的是：步骤三中所述的占空比为30％。其它与具体实施方式一至十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二不同的是：步骤三中所述的电解液温度为25℃～35℃。其它与具体实施方式一至十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三不同的是：步骤三中所述的电解液温度为30℃。其它与具体实施方式一至十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四不同的是：步骤三中所述的氧化时间为20min～80min。其它与具体实施方式一至十四相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五不同的是：步骤三中所述的氧化时间为50min。其它与具体实施方式一至十五相同。

具体实施方式十七：(参见附图1、图2、图3和图4)本实施方式的钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法按以下步骤进行：一、先将TA15钛合金的表面用2000号砂纸打磨去掉表面的氧化层，然后放入丙酮中超声清洗5min；二、按磷酸三钠浓度为12g/L和乙酸钴浓度为6g/L称取磷酸三钠和乙酸钴，配制成水溶液，得到电解液；三、将经步骤一处理的钛合金置于装有经步骤二配制的电解液的不锈钢槽体中，以钛合金做阳极、不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在脉冲电压为500V、频率为50Hz、占空比为10％、电解液温度为30℃的条件下微弧氧化60min，即在钛合金基体上制备了耐高温高发射率涂层。

本实施方式制备的在钛合金基体上的耐高温高发射率涂层的X射线衍射图如图1所示，从图1可以看出，膜层的主晶相为金红石和锐钛矿TiO₂结构，并有部分非晶相存在。

本实施方式制备的在钛合金基体上的耐高温高发射率涂层的的扫描电镜如图2所示，其中图2中线框内区域的能谱分析如图3所示，在图2中可以看出，本实施方式制备的涂层表面分布着微米级的微孔，涂层的这种结构可以有效降低热量的传递速度，阻止热量通过涂层向基体传递；由图3的元素分析结果表明，涂层中主要含有Ti、Al、P、O、Co几种元素，其中Ti和Al元素来自于基体，P、O和Co来自于电解液，可以看出电解液中的Co被成功引入膜层中，对提高膜层的发射率起着决定性作用。

本实施方式制备的在钛合金基体上的耐高温高发射率涂层在测试温度条件为700℃，红外波长为3μm～20μm时的发射率测试结果如图4所示，从图4可以看出本实施方式制备的涂层的发射率为0.6～1.0。

本实施方式得到的氧化物涂层厚度为50μm，粗糙度Ra为2.4μm；涂层原位生长，与基体结合良好，拉伸强度为54MPa，剪切强度为26MPa；涂层热震性能好，在700℃下保温100小时，700℃到室温热震循环100次，涂层不脱落，涂层的结合力高。本实施方式制备的钛合金基体上耐高温高发射率涂层的发射率能够满足高超声速飞行器的外蒙皮对涂层的要求，而且涂层的结合力高、受到气动加热作用时涂层不易脱落或分解，可以做为外蒙皮应用于高超声速飞行器上。

Claims

1.一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法按以下步骤进行：一、将钛合金的表面用2000号砂纸打磨去掉表面的氧化层，然后放入丙酮中超声清洗3min～10min；二、按主盐浓度为5g/L～50g/L和添加剂浓度为2g/L～20g/L称取主盐和添加剂，配制成水溶液，得到电解液；三、将经步骤一处理的钛合金置于装有经步骤二配制的电解液的不锈钢槽体中，以钛合金做阳极、不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在脉冲电压为350V～600V、频率为50Hz～3000Hz、占空比为10％～45％、电解液温度为20℃～40℃的条件下氧化10min～90min，即可在钛合金基体上制备耐高温高发射率涂层；其中步骤二中所述的主盐为磷酸三钠、硅酸钠和偏铝酸钠中的一种或其中几种的组合；步骤二中所述的添加剂为乙酸钴、硫酸亚铁、乙酸镍、乙酸铜、重铬酸钾和乙酸锰中的一种或其中几种的组合。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤一中所述的钛合金为TC4或TA15。

3.根据权利要求1或2所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤一中钛合金在丙酮中超声清洗4min～8min。

4.根据权利要求3所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的主盐的浓度为10g/L～45g/L，添加剂的浓度为5g/L～15g/L。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的主盐的浓度为25g/L、添加剂的浓度为10g/L。

6.根据权利要求5所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤三中所述的脉冲电压为380V～550V。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤三中所述的频率为100Hz～2500Hz。

8.根据权利要求7所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤三中所述的占空比为15％～40％。

9.根据权利要求1、2、4、6或8所述的一种钛合金基体上耐高温高发射率涂层的制备方法，其特征在于步骤三中所述的氧化时间为20min～80min。