CN103590008A

CN103590008A - 一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al2O3扩散障的方法

Info

Publication number: CN103590008A
Application number: CN201310627241.4A
Authority: CN
Inventors: 王东生
Original assignee: Tongling University
Current assignee: Tongling University
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN103590008B

Abstract

本发明公开了一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，包括以下步骤：TiAl合金基体预处理；对经过预处理的TiAl合金表面双层辉光离子渗Al层；对渗层进行微弧氧化生成Al₂O₃扩散障；在扩散障表面制备MCrAlY涂层。本发明所制备Al₂O₃扩散障是在微弧氧化过程中原位生长的陶瓷膜，与TiAl合金基体结合牢固，Al₂O₃陶瓷膜致密均匀，从而可以有效的减缓高温氧化过程中TiAl合金基体与MCrAlY涂层之间的互扩散，提高TiAl合金抗长期高温氧化性能并延长其使用寿命。

Description

一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al2O3扩散障的方法

技术领域

本发明涉及一种在金属表面制备热扩散障的方法，尤其涉及的是一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法。

背景技术

TiAl基金属间化合物合金（简称TiAl合金），包括γ-TiAl合金、TiAlNb合金等，具有密度低、比强度和比刚度高、高温蠕变及高温疲劳性能好等优点，被认为是极具应用前景的新型轻质高温结构材料之一，特别是对未来航空航天、发动机以及燃汽轮机等极具吸引力。但当TiAl合金使用温度高于800℃时，其抗氧化性能迅速降低，因此进一步提高TiAl合金的抗高温氧化能力就成了急需解决的问题。

通过添加合金元素或者进行表面预置抗氧化涂层可以提高TiAl合金高温氧化性能。表面涂层技术能有机地将基材和表面涂层的特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满足对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，获得相当理想的复合材料结构。在保证优异力学性能的前提下，施加表面防护涂层是改善TiAl合金抗高温氧化性能的一条有效途径。因此TiAl合金表面抗高温氧化涂层的制备成了国内外研究的热点，主要有等离子喷涂/离子溅射MCrAlY（M为Ni和/或Co）、TiAlCr涂层，等离子喷涂/电子束物理气相沉积热障涂层(Thermal barrier coating，TBCs)，激光熔覆/激光合金化耐高温表面涂层，扩渗涂层，搪瓷涂层等。

其中MCrAlY涂层是第三代高温涂层，可作为单独使用的耐热涂层或热障涂层的连接层，相对于其它涂层，MCrAlY涂层可以根据实际需要选择合适的涂层成分，组分选择更加灵活，另外，它还具有相当优异的韧性和抗热疲劳强度，因此已广泛应用于镍基高温合金表面。MCrAlY涂层常用的制备工艺有等离子喷涂（如大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、真空等离子喷涂等）、电弧离子镀、磁控溅射、电子束物理气相沉积等。但当MCrAlY涂层用于TiAl合金表面时，在长期高温氧化过程中，MCrAlY涂层中的Ni、Co向内扩散的过程将导致基体一侧由γ-TiAl转变为硬而脆的AlM₂T（M为Ni和/或Co）三元金属间化合物，涂层与基体之间的互扩散会恶化涂层的抗长期高温氧化性能及基体的力学性能，特别像这样硬而脆的扩散层会显著降低基体的疲劳寿命。因此，如果要进一步提高TiAl合金表面所制备MCrAlY涂层的抗长期高温氧化性能，必须采取措施抑制涂层和基体之间的互扩散。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，从而提高TiAl合金表面所制备MCrAlY涂层的抗长期高温氧化性能，扩大其应用范围。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

（1）TiAl合金基体预处理；

（2）对经过预处理的TiAl合金表面双层辉光离子渗Al层：

将TiAl合金放入双层辉光离子渗金属炉中，抽真空，在氩气保护下，以纯Al板作源极，TiAl合金作阴极，极间距离为18～22mm，源极电压为940～960V，阴极电压为340～360V，阴极温度为930～950℃，渗Al时间为3～5h，保温时间为4h，有效渗层厚度为30～50μm；

（3）对渗层进行微弧氧化生成Al₂O₃扩散障：

对渗层进行微弧氧化时，工件接电源正极，电解液硅酸钠Na₂SiO₃浓度为8～12g·L^-1，电流密度为8～12A·dm^-2，频率为3000～8000Hz，占空比为40%～60%，生成Al₂O₃陶瓷膜扩散障的厚度为20～40μm；

（4）在扩散障表面制备MCrAlY涂层。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤（1）中，TiAl合金基体预处理为净化和活化处理。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤（2）中，真空度为2.0×10^-2～2.4×10^-2Pa，氩气的纯度为99.9%，压力为28～32Pa。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤（3）中，电源为脉冲直流电源。

所述步骤（4）中，制备MCrAlY涂层方法选自等离子喷涂、电弧离子镀、磁控溅射、电子束物理气相沉积中的一种。

双层辉光离子渗金属技术是在传统等离子体物理渗镀的基础上，利用辉光溅射提供欲渗金属活性原子源，实现固态到等离子混合态，再到固态的渗镀过程，对TiAl合金表面进行双层辉光离子渗Al后，渗层中Al元素沿深度方向逐渐降低，从表面到基体连续变化，在整个渗层中没有成分的突变点，表面合金渗层与基体是典型的梯度冶金结合，不存在类似于涂镀层的表面改性层与基体的结合性问题。微弧氧化是基于电火花（短电弧）放电和电化学、化学等综合作用，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面生成、形成一层优质的陶瓷膜的方法，采用硅酸钠（Na₂SiO₃）电解液对TiAl合金表面渗Al层进行微弧氧化，渗Al层表面将原位生成以α-Al₂O₃相为主，并含有少量γ-Al₂O₃相的致密且均匀的陶瓷膜。而Al₂O₃陶瓷膜是一种TiAl合金和MCrAlY涂层间有效的扩散障，可减缓高温氧化过程中TiAl合金基体与MCrAlY涂层之间的互扩散，提高TiAl合金抗长期高温氧化并延长其使用寿命。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明所制备Al₂O₃扩散障是在微弧氧化过程中原位生长的陶瓷膜，与TiAl合金基体结合牢固，Al₂O₃陶瓷膜致密均匀，从而可以有效的减缓高温氧化过程中TiAl合金基体与MCrAlY涂层之间的互扩散，提高TiAl合金抗长期高温氧化性能并延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例为在γ-TiAl合金和等离子喷涂MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障，具体步骤如下：

（1）对TiAl合金基体（钢铁研究总院高温材料研究所牌号为TAC-2的γ-TiAl合金）进行净化和活化处理；

（2）在10kW多功能双层辉光离子渗金属炉中对经过预处理的TiAl合金表面进行渗Al处理，以纯Al板作源极，TiAl合金作阴极，极间距18mm，抽真空至2.0×10^-2Pa，充保护气体99.9%的高纯氩气达28Pa，源极电压940V，基体(阴极)电压340V，基体温度930℃，渗Al时间为3h，保温时间为4h，有效渗层厚度约为30μm；

（3）在MA-120A型微弧氧化设备上对表面渗Al的TiAl合金进行微弧氧化处理，采用脉冲直流电源，TiAl合金接电源正极，电解液硅酸钠（Na₂SiO₃）浓度为8g·L^-1，电流密度为8A·dm^-2，频率为3000Hz，占空比为40%，控制Al₂O₃陶瓷膜扩散障的厚度约为20μm。

（4）在经微弧氧化的TiAl合金基体表面采用美国普莱克斯公司生产的3710型大气等离子喷涂系统喷涂MCrAlY涂层，MCrAlY粉末的名义成分为：Ni-20Co-18Cr-15Al-2Y₂O₃，质量分数，%。喷涂工艺参数见表1。

表1 大气等离子喷涂MCrAlY工艺参数

电流/A	710
		电压/V	42
主气,Ar/PSI	65
		辅气,He/PSI	115
载体气,Ar/PSI	45
		送粉率/(r·min^-1)	2

喷涂距离/mm	110
		喷枪移动速度/(mm·s^-1)	100
涂层厚度/μm	100

实施例2

本实施例为在γ-TiAl合金和电弧离子镀MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障，具体步骤如下：

（2）在10kW多功能双层辉光离子渗金属炉中对经过预处理的TiAl合金表面进行渗Al处理，以纯Al板作源极，TiAl合金作阴极，极间距20mm，抽真空至2.2×10^-2Pa，充保护气体99.9%的高纯氩气达30Pa，源极电压950V，基体(阴极)电压350V，基体温度940℃，渗Al时间为4h，保温时间为4h，有效渗层厚度约为40μm；

（3）在MA-120A型微弧氧化设备上对表面渗Al的TiAl合金进行微弧氧化处理，采用脉冲直流电源，TiAl合金接电源正极，电解液硅酸钠（Na₂SiO₃）浓度为10g·L^-1，电流密度为10A·dm^-2，频率为5000Hz，占空比为50%，控制Al₂O₃陶瓷膜扩散障的厚度约为30μm。

（4）在经微弧氧化的TiAl合金基体表面采用MIP-8-800型电弧离子镀设备制备MCrAlY涂层，涂层为NiCrAlY,其名义成分Al：7%～9%，Cr：30%～35%,Y:0.5%～1%,Ni:余量。电弧离子镀前用真空泵将沉积室压力抽到小于3×10^-3Pa，充入氩气（Ar），首先对试样进行溅射清洗，然后沉积涂层3h，涂层的沉积速率约为10μm/h，制备厚约30μm的MCrAlY涂层。最后在真空热处理炉内(升温速度小于8℃·min^-1)对涂层进行扩散退火处理，工艺条件为在950℃～1050℃下保温2h。

实施例3

本实施例为在γ-TiAl合金和真空等离子喷涂MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障，具体步骤如下：

（2）在10kW多功能双层辉光离子渗金属炉中对经过预处理的TiAl合金表面进行渗Al处理，以纯Al板作源极，TiAl合金作阴极，极间距22mm，抽真空至2.4×10^-2Pa，充保护气体99.9%的高纯氩气达32Pa，源极电压960V，基体(阴极)电压360V，基体温度950℃，渗Al时间为5h，保温时间为4h，有效渗层厚度约为50μm；

（3）在MA-120A型微弧氧化设备上对表面渗Al的TiAl合金进行微弧氧化处理，采用脉冲直流电源，TiAl合金接电源正极，电解液硅酸钠（Na₂SiO₃）浓度为12g·L^-1，电流密度为12A·dm^-2，频率为8000Hz，占空比为60%，控制Al₂O₃陶瓷膜扩散障的厚度约为40μm。

（4）在经微弧氧化的TiAl合金基体表面采用ZDP-1700型真空等离子喷涂设备喷涂MCrAlY涂层，MCrAlY粉末的名义成分为：Ni-25Cr-5Al-0.5Y，质量分数，%。喷涂前用真空泵将喷涂室内压力抽到7Pa左右，充入氩气（Ar），待喷涂室内压力达到4×10³Pa～5×10³Pa时引燃等离子弧开始喷涂，工艺参数见表2。

表2 真空等离子喷涂MCrAlY工艺参数

等离子功率/kW	48
		电流/A	650
喷涂室压力/Pa	8×10³
		氩气流量/(L·min^-1)	65
氢气流量/(L·min^-1)	115
		送粉速率/(g·min^-1)	50
喷涂距离/mm	300
		涂层厚度/μm	100

Claims

1.一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）TiAl合金基体预处理；

（2）对经过预处理的TiAl合金表面双层辉光离子渗Al层：

（3）对渗层进行微弧氧化生成Al₂O₃扩散障：

（4）在扩散障表面制备MCrAlY涂层。

2.根据权利要求1所述的一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，TiAl合金基体预处理为净化和活化处理。

3.根据权利要求1所述的一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，真空度为2.0×10^-2～2.4×10^-2Pa，氩气的纯度为99.9%，压力为28～32Pa。

4.根据权利要求1所述的一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，电源为脉冲直流电源。

5.根据权利要求1所述的一种在TiAl合金和MCrAlY涂层间制备Al₂O₃扩散障的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，制备MCrAlY涂层方法选自等离子喷涂、电弧离子镀、磁控溅射、电子束物理气相沉积中的一种。