CN102134714B - 一种氧化铝强化高温防护涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温防护涂层制备技术，具体为一种氧化铝强化高温防护涂层，以及采用冷喷涂制备氧化铝强化高温防护涂层(TiAl3复合防护涂层)的方法。将氧化铝粉末、纯钛粉、铝粉按摩尔比(1∶1∶1)～(3∶1∶5)机械混合均匀后，用冷喷涂设备直接喷到基材上，随后经过热处理，制备出主要成分为氧化铝-TiAl3的复合涂层。本发明所获涂层主要成分为氧化铝-TiAl3，其孔隙率低，与基材相容性好，结合力强，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能。本发明制备方法采用冷喷涂法，操作简便，成分容易控制，形成涂层质量好。
Description
技术领域
本发明涉及高温防护涂层制备技术，具体为一种氧化铝强化高温防护涂层，以及采用冷喷涂制备氧化铝强化高温防护涂层(TiAl3复合防护涂层)的方法。
背景技术
冷喷涂是近年才发展起来的一门新兴表面处理技术，与传统的热喷涂不同，它是在低温状态下，通过高速粉末颗粒撞击基体时的塑性变形与冷焊所形成的涂层，特别适合对热和氧化敏感的粉末和基材涂层制备。参见文献：[1]A.Papyrin，Cold spray technology，Adv.Mater. Proc.，2001，160(3)，p 49-51；[2]T.Stoltenhoff，H.Kreye，H.Richter，An analysis of the cold spray process and its coatings，J.Therm.SprayTechno.，2002，11(4)，p 542-55；[3]M.F.Smith，Comparing cold spray with thermalspray coating technologies：in the cold spray materials deposition process 2007，V.K.Champagne，ed.，WP，Cambridge，England，2007，p 43-61。
同时，冷喷涂粉末成分可以随意调配，如在可塑性变形的金属粉末中添加氧化铝陶瓷粉末，可以大大加强金属涂层的性能。采用氧化铝陶瓷强化的Al涂层，喷涂到镁合金基体上，不但改善了基材的耐腐蚀性能，同时使涂层更加致密，增加了基体的耐磨损性能，参见文献：[4]Y.S.Tao，T.Y.Xiong，C.Sun，et al.Effect ofα-Al2O3 on the properties of cold sprayed Al/α-Al2O3 composite coatings on AZ91Dmagnesium alloy，Appl.Surf.Sci.，2009，In press。
TiAl3是一种很好的高温防护涂层，采用冷喷涂能够将纯金属粉末喷涂到基材上形成这种涂层，效果良好。参见文献：[5]Kim，D.Park，I.Kim，H Kim，K Park，Effect of Aluminising on High Temperature Oxidation Resistance of TiAl Compounds.Mater.Sci.Technol.，14(1998)822.；[6]Z.D.Xiang，S.R.Rose，P.K.Datta，Packformatin and long term oxidation kinetics of TiAl3 coating on r-TiAl，Mater.Sci.Technol.，2005，21，p 1111-1118；[7]L.Shen，L.Y.Kong，T.Y.Xiong，H.Du，T.F.Li，Preparation of TiAl-Al composite coating by cold spraying，Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2009，19，879-882。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护层及其制备方法。该涂层成分为氧化铝-TiAl3复合涂层，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能；制备方法采用冷喷涂法，操作简便，成分容易控制，形成涂层质量好。
本发明的技术方案是：
一种氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护涂层的制备方法，将氧化铝粉末、纯钛粉、铝粉按摩尔比(1～3)∶1∶(1～5)机械混合均匀后，用冷喷涂设备直接喷到基材上，随后经过热处理，制备出主要成分为氧化铝-TiAl3的复合涂层。该涂层孔隙率低，与基材相容性好，结合力强，抗高温氧化性能良好。
所述涂层成分为氧化铝-TiAl3中，氧化铝占18～70wt％，TiAl3占30～82wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，涂层孔隙率为1～2％。
所述氧化铝(Al2O3)颗粒形状采用球形、长方形或无规则形状均可。
所述氧化铝粉末的粒度为5～50μm，纯钛粉的粒度为5～50μm，纯铝粉的粒度为5～50μm。
所述冷喷涂的操作条件为：气体采用压缩空气或压缩氮气或氦气，气体温度100～300℃，气体压力1.0MPa～3.0MPa，喷涂距离5～50mm，气体流量10～30g/s，涂层厚度100～1500μm。
所述热处理的操作条件为：温度400～700℃，保温4～48h，随炉冷却。
本发明中，高温防护涂层可应用到钛合金、不锈钢或陶瓷基体等的防护。
本发明中，冷喷涂用的设备采用中国发明专利申请，发明名称：冷气动力喷涂装置，公开号CN1403210A，公开日2003-03-19。
本发明中，机械混合用的设备采用常规球磨机。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计的涂层具有很好的抗高温防护效果，适于在950℃以下的高温防护。
2、本发明涂层采用冷喷涂方法制备，原料采用氧化铝颗粒、纯金属粉末，机械混合后，冷喷到基材上，然后经过热处理，制备出目标涂层。涂层成分容易控制，操作简便，易于控制。
3、本发明采用冷喷涂方法制备涂层，对基材没有影响，特别适合对热敏感的材料的涂层制备。
4、本发明效率高、成本较低。
附图说明
图1为本发明冷喷涂制备Al2O3/TiAl3复合涂层截面形貌图。
图2为本发明涂层抗高温防护效果曲线。
具体实施方式
实施例1
首先，将粒度为5-25μm的氧化铝颗粒、纯钛粉和铝粉按摩尔比1∶1∶3机械混合48h；
然后，用冷喷涂设备在Ti-22Al-26Nb基体沉积涂层，冷喷涂的操作条件：
气体采用压缩空气，气体温度250℃，气体压力1.8MPa，喷涂距离30mm，气体流量15g/s，涂层厚度200μm。
随后，在630℃保温5h，随炉冷却，制备了TiAl3/Al2O3复合涂层。
如图1所示，涂层由TiAl3/Al2O3共同构成，氧化铝占26wt％，TiAl3占74wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为2％。涂层与合金基体之间有10μm厚的(Ti，Nb)Al3互扩散层，涂层在950℃表现出较好的抗高温氧化性能。如图2所示，氧化1000h后，施加涂层的基材防护效果十分明显。
实施例2.
首先，将粒度均为10-50μm的氧化铝、纯钛粉和铝粉按摩尔比1∶1∶3比例机械混合48h；
然后，用冷喷涂设备在不锈钢(1Cr18Ni9Ti)上沉积涂层，冷喷涂的操作条件：
气体采用压缩空气，气体温度100℃，气体压力3.0MPa，喷涂距离35mm，气体流量30g/s，涂层厚度300μm。
随后，在550℃保温15h，随炉冷却，制备了TiAl3/Al2O3复合涂层。
本实施例中，涂层由TiAl3/Al2O3共同构成，氧化铝占26wt％，TiAl3占74wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为1％。涂层与合金基体之间表现出较好的抗高温氧化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。
实施例3.
首先，将粒度均为15-35μm的氧化铝、纯钛粉和铝粉按摩尔比2∶1∶3比例机械混合48h；
然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体(PTC)沉积涂层，冷喷涂的操作条件：
气体采用压缩空气，气体温度220℃，气体压力2.7MPa，喷涂距离15mm，气体流量28g/s，涂层厚度100μm；
随后，随后在500℃保温20h，随炉冷却，制备了TiAl3/Al2O3复合涂层。
本实施例中，涂层由TiAl3/Al2O3共同构成，氧化铝占41wt％，TiAl3占59wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为1％。涂层与基体之间有较好的抗高温氧化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。
实施例4.
首先，将粒度均为10-25μm的氧化铝、纯钛粉、铝粉按摩尔比3∶1∶3比例机械混合48h；
然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体(PTC)沉积涂层，冷喷涂的操作条件：
气体采用压缩空气，气体温度300℃，气体压力1.0MPa，喷涂距离30mm，气体流量15g/s，涂层厚度150μm；
随后，在600℃保温8h，随炉冷却，制备了TiAl3/Al2O3复合涂层。
本实施例中，涂层由TiAl3/Al2O3共同构成，氧化铝占51wt％，TiAl3占49wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为2％。涂层与基体之间有较好的抗高温氧化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。
实施例5.
首先，将粒度均为20-50μm的氧化铝、纯钛粉、铝粉按摩尔比3∶1∶5比例机械混合48h；
然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体(PTC)沉积涂层，冷喷涂的操作条件：
气体采用压缩空气，气体温度240℃，气体压力1.8MPa，喷涂距离40mm，气体流量20g/s，涂层厚度200μm；
随后，在700℃保温4h，随炉冷却，制备了TiAl3/Al2O3复合涂层。本实施例中，涂层由TiAl3/Al2O3共同构成，氧化铝占40wt％，TiAl3占60wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为1％。涂层与合金基体之间有较好的抗高温氧化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。
结果表明，本发明采用氧化铝、Al、Ti为原料，按一定比例机械混合后，直接喷涂到基体上形成复合涂层，随后通过反应扩散方法形成氧化铝颗粒弥散强化金属间化合物涂层。这种方法操作方便，易于控制。涂层更加致密，耐高温氧化性能良好。
Claims (1)
1.一种氧化铝强化高温防护涂层，其特征在于，首先，将粒度均为20-50μm的氧化铝、纯钛粉、铝粉按摩尔比3∶1∶5比例机械混合48h；
然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体沉积涂层，冷喷涂的操作条件：
气体采用压缩空气，气体温度240℃，气体压力1.8MPa，喷涂距离40mm，气体流量20g/s，涂层厚度200μm；
随后，在700℃保温4h，随炉冷却，通过反应扩散方法形成氧化铝颗粒弥散强化的氧化铝-TiAl3的TiAl3/Al2O3复合涂层；
涂层由TiAl3/Al2O3共同构成，氧化铝占40wt％，TiAl3占60wt％，氧化铝均匀分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为1％。
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