CN103803800A - 一种钛合金防护涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金高温防护涂层，其特征在于：所述涂层为由20~40wt%非晶二氧化硅粒子弥散分布在玻璃基体中形成的非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。其中：复合涂层中玻璃基体的原料组成为：30~40质量份的二氧化硅，20~30质量份的氧化硼，2~5质量份的氧化铝，5~15质量份的氧化镁，5~15质量份的氧化钙，10~20质量份的氧化钠。一种如上所述钛合金防护涂层的制备方法：包括玻璃粉体的制备、复合涂层用料浆的制备、钛合金表面的预处理、料浆的涂覆以及复合涂层的烧结。本发明制备的复合涂层可以在较低的温度内烧结，并具有优异的高温抗氧化性能；同时本发明所述复合涂层的原料成本低，制备工艺简单易行，适于工业化生产。

Description

一种钛合金防护涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金的高温防护技术，涉及一种钛合金防护涂层及其制备方法，具体是一种非晶二氧化硅粒子弥散分布在玻璃基体中形成的新型复合钛合金高温防护涂层及其制备方法，以提高钛合金高温防护性能。

背景技术

钛合金作为一种新型的轻金属材料，具有密度小、比强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工等领域，但是，钛合金在高温下的氧化和氧脆问题非常严重,一方面在高温下，钛合金表面可能和大气中的氧发生氧化反应，在其表面形成一层氧化皮，另一方面氧渗透到基体中与钛形成硬而脆的表面渗层，使钛合金脆性增加，塑性明显下降，严重限制了钛合金的应用范围。

玻璃涂层与玻璃陶瓷涂层有良好的密封性和热稳定性、良好的化学惰性、高温稳定性和优异的机械性能，是钛合金高温氧化保护的有效涂层材料。但是在高温下玻璃涂层的黏度流动易在涂层中形成裂纹和空洞，因而失去对基体的保护；玻璃陶瓷涂层由于存在均匀的晶相分布，从而具备固有高温粘度，能避免形成裂纹和孔洞。同时可以通过调节涂层中的晶体成分和含量来调节整个玻璃陶瓷涂层的热膨胀系数，得到与钛合金热膨胀系数相匹配的玻璃陶瓷涂层。

然而要制备出性能优良的玻璃陶瓷涂层，其成分选择与制备工艺必须要有精准的控制，这在一定程度上限制了玻璃陶瓷涂层的应用。

发明内容

本发明提供一种钛合金防护涂层及其制备方法，目的在于提高钛合金高温防护性能，并具有工艺简单易行的特点。

本发明提供的一种钛合金防护涂层，其特征在于，该涂层为由非晶二氧化硅粒子弥散分布在玻璃基体中形成的非晶二氧化硅-玻璃复合涂层；其中：非晶二氧化硅粉末的重量百分比含量范围是20～40%，优选的范围是20～30%，粉末的粒径范围在1μm～100μm。

作为上述技术方案的改进，所述钛合金防护涂层中玻璃基体的原料组成为：30～40质量份的二氧化硅，20～30质量份的氧化硼，2～5质量份的氧化铝，5～15质量份的氧化镁，5～15质量份的氧化钙，10～20质量份的氧化钠。

本发明提供的钛合金防护涂层的制备方法，包括如下步骤：

第1步料浆制备和钛合金表面预处理：

料浆制备：将玻璃粉与非晶二氧化硅粉末混合，加入分散剂球磨，得到所用料浆，并陈化24h后备用；

钛合金表面预处理：将钛合金表面打磨平滑，再除去表面油脂，然后清洗，并干燥；

第2步料浆涂覆：

将所得料浆在涂覆在预处理后的钛合金表面，并干燥；

第3步复合涂层烧结：

将第2步所得涂有料浆涂层的钛合金置于马弗炉中，在800～850℃的温度下加热20～40min，得到非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。该涂层的厚度为50～200μm。

本发明将陶瓷颗粒引入玻璃涂层中以解决现有技术存在的问题。首先陶瓷颗粒的引入将可以提高玻璃涂层高温粘度，减少高温下玻璃涂层的裂纹和空洞，同时通过改变陶瓷颗粒的种类和数量可以很轻松的调节玻璃涂层的热膨胀系数。非晶二氧化硅具有很好的耐高温性能，同时与玻璃的相容性好，与玻璃涂层烧结时不会太大的影响其烧结温度，是理想的陶瓷填料。玻璃基体可以选用硼含量较高的低熔点硼硅酸盐玻璃，这样可以降低涂层的烧结温度。

本发明制备了具有优异高温抗氧化性能的非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。复合涂层中玻璃基体的转变温度较低，使得涂层可以在较低的温度内烧结，非晶二氧化硅的加入可以提高玻璃的高温粘度，同时由于非晶二氧化硅与玻璃的相容性好，又不会太大地影响复合涂层的烧结温度。此外本发明所述复合涂层的原料丰富，成本低，制备工艺简单易行，适于工业化生产。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实例所使用的玻璃粉体的制备过程为：将制备玻璃基体原料混合充分后置于刚玉坩埚内，然后将坩埚置于马沸炉内于1200℃高温熔融1h，之后取出坩埚，将玻璃液迅速倒入冷水中，冷淬得到玻璃颗粒，待玻璃颗粒干燥后，放入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨24～36h，球磨后取出细化的玻璃粉烘干，过200目筛后得到粒径均匀的玻璃粉。

实施例1

（1）称取玻璃基体原料并混合得混合料，所述混合料由35质量份的二氧化硅，25质量份的氧化硼，5质量份的氧化铝，10质量份的氧化镁，10质量份的氧化钙，15质量份的氧化钠组成，然后将所述混合料置于200ml的刚玉坩埚内，于马沸炉内1200℃高温熔融1h，之后取出坩埚，将玻璃液迅速倒入冷水中，冷淬得到玻璃颗粒，待玻璃颗粒干燥后，放入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨24h，球磨转速为200转/min，球磨后取出细化的玻璃粉烘干，过200目筛后得到粒径均匀的玻璃粉；

（2）将上述玻璃粉与非晶二氧化硅粉末得混合料，所述混合料中由20质量份非晶二氧化硅和80质量份的玻璃粉组成，非晶二氧化硅的粒径范围在1μm～100μm，然后将所述混合料倒入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨40min，得到所用料浆，并陈化24h后备用；

（3）用砂纸将Ti-6Al-4V合金表面打磨平滑，先用碱水清洗，然后用蒸馏水清洗，并干燥；

（4）将步骤(2)所得料浆涂覆在步骤（3）所得合金的表面，并干燥；

（5）将步骤（4）所得涂有料浆涂层的钛合金置于马弗炉中，在800℃的温度下加热30min，得到非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。涂层厚度约为100μm。

实施例2

（1）称取玻璃基体原料并混合得混合料，所述混合料由35质量份的二氧化硅，25质量份的氧化硼，5质量份的氧化铝，10质量份的氧化镁，10质量份的氧化钙，15质量份的氧化钠组成，然后将所述混合料置于200ml的刚玉坩埚内，于马沸炉内1200℃高温熔融1h，之后取出坩埚，将玻璃液迅速倒入冷水中，冷淬得到玻璃颗粒，待玻璃颗粒干燥后，放入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨24h，球磨转速为200转/min，球磨后取出细化的玻璃粉烘干，过200目筛子后得到粒径均匀的玻璃粉；

（2）将上述玻璃粉与非晶二氧化硅粉末得混合料，所述混合料中由30质量份非晶二氧化硅和70质量份的玻璃粉组成，非晶二氧化硅的粒径范围在1μm～100μm，然后将所述混合料倒入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨40min，得到所用料浆，并陈化24h后备用；

（3）用砂纸将Ti-6Al-4V合金表面打磨平滑，先用碱水清洗，然后用蒸馏水清洗，并干燥；

（4）将步骤(2)所得料浆涂覆在步骤（3）所得合金的表面，并干燥；

（5）将步骤（4）所得涂有料浆涂层的钛合金置于马弗炉中，在800℃的温度下加热30min，得到非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。涂层厚度约为150μm。

实施例3

（1）称取玻璃基体原料并混合得混合料，所述混合料由30质量份的二氧化硅，30质量份的氧化硼，5质量份的氧化铝，10质量份的氧化镁，10质量份的氧化钙，15质量份的氧化钠组成，然后将所述混合料置于200ml的刚玉坩埚内，于马沸炉内1200℃高温熔融1h，之后取出坩埚，将玻璃液迅速倒入冷水中，冷淬得到玻璃颗粒，待玻璃颗粒干燥后，放入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨24h，球磨转速为200转/min，球磨后取出细化的玻璃粉烘干，过200目筛子后得到粒径均匀的玻璃粉；

（2）将上述玻璃粉与非晶二氧化硅粉末得混合料，所述混合料中由40质量份非晶二氧化硅和60质量份的玻璃粉组成，非晶二氧化硅的粒径范围在1μm～100μm，然后将所述混合料倒入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨40min，得到所用料浆，并陈化24h后备用；

（3）用砂纸将Ti-6Al-4V合金表面打磨平滑，先用碱水清洗，然后用蒸馏水清洗，并干燥；

（4）将步骤(2)所得料浆涂覆在步骤（3）所得合金的表面，并干燥；

（5）将步骤（4）所得涂有料浆涂层的钛合金置于马弗炉中，在850℃的温度下加热30min，得到非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。涂层厚度约为200μm。

实施例4

（1）称取玻璃基体原料并混合得混合料，所述混合料由30质量份的二氧化硅，30质量份的氧化硼，5质量份的氧化铝，10质量份的氧化镁，10质量份的氧化钙，15质量份的氧化钠组成，然后将所述混合料置于200ml的刚玉坩埚内，于马沸炉内1200℃高温熔融1h，之后取出坩埚，将玻璃液迅速倒入冷水中，冷淬得到玻璃颗粒，待玻璃颗粒干燥后，放入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨24h，球磨转速为200转/min，球磨后取出细化的玻璃粉烘干，过200目筛后得到粒径均匀的玻璃粉；

（2）将上述玻璃粉与非晶二氧化硅粉末得混合料，所述混合料中由30质量份非晶二氧化硅和70质量份的玻璃粉组成，非晶二氧化硅的粒径范围在1μm～100μm，然后将所述混合料倒入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨40min，得到所用料浆，并陈化24h后备用；

（3）用砂纸将Ti-6Al-4V合金表面打磨平滑，先用碱水清洗，然后用蒸馏水清洗，并干燥；

（4）将步骤(2)所得料浆涂覆在步骤（3）所得合金的表面，并干燥；

（5）将步骤（4）所得涂有料浆涂层的钛合金置于马弗炉中，在850℃的温度下加热30min，得到非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。涂层厚度约为150μm。

将实施例1～4涂覆有非晶二氧化硅-玻璃复合涂层的Ti-6Al-4V合金和未涂覆涂层Ti-6Al-4V合金试样称量后置于800℃的通风环境下保温50h，待自然冷却后再次称量，计算增重量，结果显示氧化50小时后涂层完好无损，涂覆有非晶二氧化硅-玻璃复合涂层的Ti-6Al-4V合金氧化增重明显小于未涂覆涂层Ti-6Al-4V合金的氧化增重，说明非晶二氧化硅-玻璃复合涂层显著地提高了钛合金基体的高温抗氧化性能。

本发明提出的实施例，本领域的技术人员容易理解，申请人提出的以上实施例表明本发明的技术解决方案是可行的。只是以上所述实施例仅为本发明的较佳实施例，并不能以此限制本发明。凡在本发明提出的技术解决方案之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种钛合金防护涂层，其特征在于，该涂层为由非晶二氧化硅粒子弥散分布在玻璃基体中形成的非晶二氧化硅-玻璃复合涂层；其中：非晶二氧化硅粉末的重量百分比含量范围在20~40%，粉末的粒径范围在1mm~100mm。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金防护涂层，其特征在于，所述钛合金防护涂层中玻璃基体的原料组成为：30~40质量份的二氧化硅，20~30质量份的氧化硼，2~5质量份的氧化铝，5~15质量份的氧化镁，5~15质量份的氧化钙，10~20质量份的氧化钠。

3.根据权利要求1或2所述的一种钛合金防护涂层，其特征在于，所述钛合金防护涂层中非晶二氧化硅粉末的重量百分比含量范围是20~30%。

4.一种权利要求1所述钛合金防护涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第1步 料浆制备和钛合金表面预处理：

料浆制备：将玻璃粉与非晶二氧化硅粉末混合，加入分散剂球磨，得到所用料浆，并陈化24h后备用；

钛合金表面预处理：将钛合金表面打磨平滑，再除去表面油脂，然后清洗，并干燥；

第2步 料浆涂覆：

将所得料浆在涂覆在预处理后的钛合金表面，并干燥；

第3步 复合涂层烧结：

将第2步所得涂有料浆涂层的钛合金置于马弗炉中，在800~850℃的温度下加热20~40min，得到非晶二氧化硅-玻璃复合涂层。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第3步中，所述涂层厚度为50~200mm。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第1步中玻璃粉体的制备过程为：

将制备玻璃基体原料混合充分后置于刚玉坩埚内，然后将坩埚置于马沸炉内于1200℃高温熔融1h，之后取出坩埚，将玻璃液迅速倒入冷水中，冷淬得到玻璃颗粒，将玻璃颗粒干燥后，放入刚玉球磨罐内加入无水乙醇作为分散剂球磨24~36h，球磨后取出细化的玻璃粉烘干，过200目筛后得到粒径均匀的玻璃粉。