CN103866373A

CN103866373A - 一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法

Info

Publication number: CN103866373A
Application number: CN201410012745.XA
Authority: CN
Inventors: 耿振铎; 王玉平; 夏从新; 徐国亮; 程惠茹
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2014-01-13
Filing date: 2014-01-13
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-01-13
Also published as: CN103866373B

Abstract

一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法。本发明的目的是提供了一种工艺方法简单，操作简便，通过电泳沉积-低温烧结技术在Ti6Al4V钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法。本发明的技术方案要点是，第一步：中间粘结层的制备；第二步：稀土铈酸盐粉料浆的制备；第三步：Ti6Al4V钛合金表面预处理；第四步：Ti6Al4V钛合金基体表面中间粘结层的制备；第五步：稀土铈酸盐陶瓷层的制备。本发明具有工艺方法简单，操作简便的特点，特别适用于航空、石油化工以及动力机械等领域的耐高温设备的表面处理。

Description

一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法

技术领域：

本发明涉及钛合金表面涂层制备技术，特别是一种采用电泳沉积-低温烧结工艺对Ti6Al4V钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法。

背景技术：

科学技术的发展对热端部件的发展提出了越来越高的要求，而现有的高温合金和冷却技术已难以满足社会发展需要。因此，在高温合金表面涂覆热障涂层成为重要的技术手段。热障涂层通常是指沉积于高温合金表面且具有优异隔热效果的陶瓷涂层，它降低了热端部件的工作温度，防止了工作部件发生高温氧化和腐蚀。热障涂层技术在航空航天、舰船、汽车制造以及冶金等多领域有着广泛的应用。

钛合金作为在航空、航天等领域有着重要应用的轻质结构材料，一直是材料领域的研究热点。然而，钛合金在高温环境下的性能较差，因此，通过表面热障涂层技术弥补钛合金高温性能不足显得十分必要。目前，为了进一步降低热障涂层热导率，寻求替代YSZ的新型热障涂层材料，特别是稀土锆酸盐、稀土掺杂等材料得到了广泛研究，但是还没有一种十分理想的替代材料。

发明内容：

本发明的目的是在针对已有技术的缺点，提供了一种工艺方法简单，操作简便，通过电泳沉积-低温烧结技术在Ti6Al4V钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法。

本发明的技术方案是，一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：中间粘结层的制备：按合金的目标成分，分别称取重量比例为：Ni: 57.0~76.5%，Cr: 17.0~31.0%，Al: 6.0~11.0%，Y : 0.5~1.0%，向上述的金属粉末中掺加金属粉末总质量的1.0~3.5wt%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨12~24h，得到金属粉料浆，备用；所述料浆中金属粉末的浓度为50~100g/L、聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为5~10g/L；第二步：稀土铈酸盐粉料浆的制备：取过325目标准筛的稀土铈酸盐粉末加入无水乙醇中，控制铈酸盐粉末的浓度为100~250g/L，加入PVB粘结剂，浓度为15~25g/L，按所加入的铈酸盐粉末的质量的1.0~3.5wt%加入CuO和16.7wt%TiO₂复合粉末，作为稀土铈酸盐的烧结助剂，超声震荡1.0~2.0h，得到稀土铈酸盐粉料浆；第三步：Ti6Al4V钛合金表面预处理：Ti6Al4V钛合金基材浸入70℃氢氧化钠溶液中清洗45min后，用70℃温水冲洗基材表面；在基材干净表面进行20目棕刚玉喷砂处理后，水洗烘干后备用；第四步：Ti6Al4V钛合金基体表面中间粘结层的制备：将第一步所得金属粉料浆通过添加无水乙醇分散剂，控制溶液浓度为10~25g的金属粉料/L，用稀盐酸调节pH=3.8~4.4，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以第三步得到的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为25~45V，沉积时间为60~120s，烘干，得到金属层，将得到的中间粘结层在1.3×10^-1Pa真空度下，加热至900~1100℃保温30~120min，得到中间粘结层；第五步：稀土铈酸盐陶瓷层的制备：将第二步所得稀土铈酸盐粉末料浆通过添加无水乙醇分散剂，控制整个溶液的浓度为25~45g稀土铈酸盐/L，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以第四步处理得到的涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为100~150V，沉积时间为100~250s，烘干后得到陶瓷表层，将得到的涂层试样加热至1100~1300℃，升温速率为1~10℃/min，保温时间为3~6h，随炉冷却，即完成制备。所述的热障涂层表层采用电泳沉积-低温烧结方法分别制备Ni、Cr、Al、Y中间粘结层和稀土铈酸盐陶瓷表层，粘结层厚度控制在100~150μm，陶瓷层厚度控制在150~250μm。所述的陶瓷表层材料为稀土铈酸盐Dy₂Ce₂O₇、Y₂Ce₂O₇中的一种。

本发明具有工艺方法简单，操作简便的特点，尤其是采用电泳沉积-低温烧结技术在Ti6Al4V钛合金表面制备了双层结构热障涂层，该涂层具有优良隔热、抗震及抗氧化性能，可实现工业化生产，特别适用于航空、石油化工以及动力机械等领域的耐高温设备的表面处理。

具体实施方式：

实施例1，

按质量百分比配Ni57%，Cr17%，Al6%，Y5%的比例选取，将上述选取好的金属粉混合，向混合后的金属粉末掺加1.0wt%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨12h，得到聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为5g/L、金属浓度为50g/L的粉料浆，备用；

取过325目标准筛的Y₂Ce₂O₇粉末加入无水乙醇中，控制Y₂Ce₂O₇粉浓度为1000g/L，加入PVB粘结剂，浓度为15g/L，按所加入的Y₂Ce₂O₇粉末质量的1.0wt%加入CuO-16.7wt%TiO2复合粉末，作为Y₂Ce₂O₇的烧结助剂，超声震荡1.0h，得到Y₂Ce₂O₇粉料浆；

将Ti6Al4V钛合金基材浸入70℃氢氧化钠溶液中清洗45min后，用70℃温水冲洗基材表面；在基材干净表面进行20目棕刚玉喷砂处理，水洗烘干后得到干净表面Ti6Al4V钛合金备用；通过添加无水乙醇分散剂，控制金属粉料浆浓度为10g/L，用稀盐酸调节pH=3.8，超声震荡1.0h，以不锈钢容器为阳极，以洁净表面的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为25V，沉积时间为60s，烘干，得到表面金属涂层，将其在1.3×10^-1Pa真空度下加热至900℃保温120min，冷却至室温后，得到Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样；

通过添加无水乙醇分散剂，控制Y₂Ce₂O₇粉末料浆浓度为25g/L，超声震荡1.0h，以不锈钢容器为阳极，以Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为100V，沉积时间为100s，烘干，得到陶瓷表层，将其加热至1100℃，升温速率为1℃/min，保温时间为6h，随炉冷却，即得到本发明制备的双层结构热障涂层。

通过金相法测得NiCrAlY中间粘结层厚度约100μm，陶瓷表层约150μm，制备的热障涂层试样在900℃恒温条件下热循环次数可达到120次以上。

实施例2，

按质量百分比配Ni67%，Cr22%，Al10%，Y1%的比例选取，将上述选取好的金属粉混合，向混合后的金属粉末掺加2.0wt%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨18h，得到聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为7.5g/L、金属浓度为75g/L的粉料浆，备用；

取过325目标准筛的Y₂Ce₂O₇粉末加入无水乙醇中，控制Y₂Ce₂O₇粉浓度为175g/L，加入PVB粘结剂，浓度为20g/L，按所加入的Y₂Ce₂O₇粉末质量的2.0wt%加入CuO-16.7wt.%TiO2复合粉末，作为Y₂Ce₂O₇的烧结助剂，超声震荡1.5h，得到Y₂Ce₂O₇粉料浆；

将Ti6Al4V钛合金基材浸入75℃氢氧化钠溶液中清洗45min后，用70℃温水冲洗基材表面；在基材干净表面进行20目棕刚玉喷砂处理，水洗烘干后得到干净表面Ti6Al4V钛合金备用；

通过添加无水乙醇分散剂，控制金属粉料浆浓度为20g/L，用稀盐酸调节pH=4.1，超声震荡1.5h，以不锈钢容器为阳极，以洁净表面的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为35V，沉积时间为90s，烘干，得到表面金属涂层，将其在1.3×10^-1Pa真空度下加热至1050℃保温75min，冷却至室温后，得到Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样；

通过添加无水乙醇分散剂，控制Y₂Ce₂O₇粉末料浆浓度为35g/L，超声震荡1.5h，以不锈钢容器为阳极，以Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为125V，沉积时间为175s，烘干，得到陶瓷表层，将其加热至1200℃，升温速率为5℃/min，保温时间为4.5h，随炉冷却，即得到本发明制备的双层结构热障涂层。

通过金相法测得NiCrAlY中间粘结层厚度约130μm，陶瓷表层约200μm，制备的热障涂层试样在900℃恒温条件下热循环次数可达到120次以上。

实施例3

按质量百分比配Ni76.5%，Cr25%，Al8%，Y0.5%的比例选取，将上述选取好的金属粉混合，向混合后的金属粉末掺加3.5wt.%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨24h，得到聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为10g/L、金属浓度为100g/L的粉料浆，备用；

取过325目标准筛的Dy₂Ce₂O₇粉末加入无水乙醇中，控制Dy₂Ce₂O₇粉浓度为250g/L，加入PVB粘结剂，浓度为25g/L，按所加入的Dy₂Ce₂O₇粉末质量的3.5wt.%加入CuO-16.7wt.%TiO2复合粉末，作为Dy₂Ce₂O₇的烧结助剂，超声震荡2.0h，得到Dy₂Ce₂O₇粉料浆；

将Ti6Al4V钛合金基材浸入80℃氢氧化钠溶液中清洗45min后，用70℃温水冲洗基材表面；在基材干净表面进行20目棕刚玉喷砂处理，水洗烘干后得到干净表面Ti6Al4V钛合金备用；

通过添加无水乙醇分散剂，控制金属粉料浆浓度为25g/L，用稀盐酸调节pH=4.4，超声震荡2.0h，以不锈钢容器为阳极，以洁净表面的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为45V，沉积时间为120s，烘干，得到表面金属涂层，将其在1.3×10^-1Pa真空度下加热至1100℃保温30min，冷却至室温后，得到Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样；

通过添加无水乙醇分散剂，控制Dy₂Ce₂O₇粉末料浆浓度为45g/L，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为150V，沉积时间为250s，烘干，得到陶瓷表层，将其加热至1300℃，升温速率为10℃/min，保温时间为3h，随炉冷却，即得到本发明制备的双层结构热障涂层。

通过金相法测得NiCrAlY中间粘结层厚度约150μm，陶瓷表层约250μm，制备的热障涂层试样在900℃恒温条件下热循环次数可达到120次以上。

实施例4

按质量百分比配Ni60.5%，Cr28%，Al11%，Y0.5%的比例选取，将上述选取好的金属粉混合，向混合后的金属粉末掺加3.5wt%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨21h，得到聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为10g/L、金属浓度为100g/L的粉料浆，备用；

通过添加无水乙醇分散剂，控制金属粉料浆浓度为25g/L，用稀盐酸调节pH=4.4，超声震荡2.0h，以不锈钢容器为阳极，以洁净表面的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为40V，沉积时间为120s，烘干，得到表面金属涂层，将其在1.3×10^-1Pa真空度下加热至1100℃保温30min，冷却至室温后，得到Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样；

通过添加无水乙醇分散剂，控制Dy₂Ce₂O₇粉末料浆浓度为45g/L，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为120V，沉积时间为250s，烘干，得到陶瓷表层，将其加热至1300℃，升温速率为10℃/min，保温时间为3h，随炉冷却，即得到本发明制备的双层结构热障涂层。

实施例5

按质量百分比配Ni61.5%，Cr31%，Al7%，Y0.5%的比例选取，将上述选取好的金属粉混合，向混合后的金属粉末掺加3.5w%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨22h，得到聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为10g/L、金属浓度为100g/L的粉料浆，备用；

取过325目标准筛的Dy₂Ce₂O₇粉末加入无水乙醇中，控制Dy₂Ce₂O₇粉浓度为250g/L，加入PVB粘结剂，浓度为25g/L，按所加入的Dy₂Ce₂O₇粉末质量的3.5wt%加入CuO-16.7wt%TiO2复合粉末，作为Dy₂Ce₂O₇的烧结助剂，超声震荡2.0h，得到Dy₂Ce₂O₇粉料浆；

通过添加无水乙醇分散剂，控制金属粉料浆浓度为25g/L，用稀盐酸调节pH=4.4，超声震荡2.0h，以不锈钢容器为阳极，以洁净表面的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为38V，沉积时间为110s，烘干，得到表面金属涂层，将其在1.3×10^-1Pa真空度下加热至1100℃保温30min，冷却至室温后，得到Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样；

通过添加无水乙醇分散剂，控制Dy₂Ce₂O₇粉末料浆浓度为45g/L，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以Ti6Al4V/NiCrAlY涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为130V，沉积时间为250s，烘干，得到陶瓷表层，将其加热至1300℃，升温速率为10℃/min，保温时间为3h，随炉冷却，即得到本发明制备的双层结构热障涂层。

本发明采用与高温合金有着良好结合强度的合金作为粘结层，有效提高了涂层的抗热震性能；以稀土铈酸盐作为陶瓷表层，使涂层具有更高的隔热和抗氧化性能；由于Dy₂Ce₂O₇和Y₂Ce₂O₇具有萤石晶体结构，其组织结构致密，晶界清晰，无杂质相存在，Dy₂Ce₂O₇和Y₂Ce₂O₇具有比传统热障陶瓷材料YSZ具有更低的热导率，因此本发明的进步性较大。

Claims

1.一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：中间粘结层的制备：按合金的目标成分，分别称取重量比例为：Ni: 57.0~76.5%，Cr: 17.0~31.0%，Al: 6.0~11.0%，Y : 0.5~1.0%，向上述的金属粉末中掺加金属粉末总质量的1.0~3.5wt%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，以无水乙醇为介质球磨12~24h，得到金属粉料浆，备用；所述料浆中金属粉末的浓度为50~100g/L、聚乙烯醇缩丁醛PVB浓度为5~10g/L；第二步：稀土铈酸盐粉料浆的制备：取过325目标准筛的稀土铈酸盐粉末加入无水乙醇中，控制铈酸盐粉末的浓度为100~250g/L，加入PVB粘结剂，浓度为15~25g/L，按所加入的铈酸盐粉末的质量的1.0~3.5wt%加入CuO和16.7wt%TiO₂复合粉末，作为稀土铈酸盐的烧结助剂，超声震荡1.0~2.0h，得到稀土铈酸盐粉料浆；第三步：Ti6Al4V钛合金表面预处理：Ti6Al4V钛合金基材浸入70℃氢氧化钠溶液中清洗45min后，用70℃温水冲洗基材表面；在基材干净表面进行20目棕刚玉喷砂处理后，水洗烘干后备用；第四步：Ti6Al4V钛合金基体表面中间粘结层的制备：将第一步所得金属粉料浆通过添加无水乙醇分散剂，控制溶液浓度为10~25g的金属粉料/L，用稀盐酸调节pH=3.8~4.4，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以第三步得到的Ti6Al4V钛合金为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为25~45V，沉积时间为60~120s，烘干，得到金属层，将得到的中间粘结层在1.3×10^-1Pa真空度下，加热至900~1100℃保温30~120min，得到中间粘结层；第五步：稀土铈酸盐陶瓷层的制备：将第二步所得稀土铈酸盐粉末料浆通过添加无水乙醇分散剂，控制整个溶液的浓度为25~45g稀土铈酸盐/L，超声震荡1.0~2.0h，以不锈钢容器为阳极，以第四步处理得到的涂层试样为阴极，进行电泳沉积，沉积电压为100~150V，沉积时间为100~250s，烘干后得到陶瓷表层，将得到的涂层试样加热至1100~1300℃，升温速率为1~10℃/min，保温时间为3~6h，随炉冷却，即完成制备。

2.如权利要求1所述的一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法，其特征在于：热障涂层表层采用电泳沉积-低温烧结方法分别制备Ni、Cr、Al、Y中间粘结层和稀土铈酸盐陶瓷表层，粘结层厚度控制在100~150μm，陶瓷层厚度控制在150~250μm。

3.如权利要求1所述的一种钛合金表面制备双层结构热障涂层的方法，其特征在于：所述的陶瓷表层材料为稀土铈酸盐Dy₂Ce₂O₇、Y₂Ce₂O₇中的一种。