CN104193173A - 一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法，其配方组份为SiO₂、Al₂O₃、B₂O₃、CoO、TiO₂、CaO、NaNO₃、KMnO₄、ZrO₂、V₂O₅、CaF₂和NiO；其制备方法是将原料按配方配好，经球磨混合均匀熔制成熔融液体，水淬干燥得到块状搪瓷釉料。加入磨加物球磨得釉浆，喷涂到钛合金基体上，经过烧成和保温，在其得到一层搪瓷涂层。本发明的优点是：搪瓷涂层耐900℃空气氧化增重小于0.1mg/cm²，850℃耐熔盐腐蚀失重小于0.1mg/cm²，搪瓷涂层和金属基体附着力好，耐温差急变性高于300℃，耐机械冲击性大于300×10^-3J。

Description

一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高温合金材料表面改性领域，具体涉及一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法。

背景技术

钛合金由于具有较高的比强度、比刚度，较好的耐腐蚀和氧化能力等优异的性能，在航空航天领域得到了广泛的应用。但是钛合金材料的抗高温氧化特别是熔融盐热腐蚀性能较差，从而限制了其在高温场合的使用。

为了提高钛合金的抗高温氧化特性，在钛合金基体表面施加防护涂层就成为钛合金发展的新方向。钛合金表面的高温防护涂层大致可分为铝化物涂层、改性铝化物涂层、MCrAlY包覆涂层和热障涂层四大类。

铝化物涂层、改性铝化物涂层属扩散涂层。铝化物涂层是经扩散渗铝而在基体表面形成的b-NiAl、b-CoAl或FeAl等金属间铝化物，这些富Al的金属间化合物氧化时会形成保护性的Al₂O₃膜，从而为基体提供良好的保护作用的第一代涂层材料。这种材料在严重的热腐蚀条件下，或温度高于1050度以上时，对基体的保护有限。改性铝化物涂层是通过电镀或者物理气相沉积等方法在基体合金上制备一定厚度的合金元素，然后进行退火处理，退火后再进行渗铝的涂层材料。涂层对基体合金的机械性能影响很大。

MCrAlY包覆涂层是在基体合金表面涂覆一层MCrAlY金属间化合物，这种方法制备的涂层材料正好克服改性铝化物涂层对基体合金机械性能影响较大的缺点，这种涂层同时具有抗氧化型和耐热腐蚀型的功能，但是MCrAlY涂层与基体之间在高温时有严重的互扩散，会导致涂层使用寿命较短的缺点。

所以在基体合金表面制备热障涂层就成为合金表面改性的新的发展方向。这种涂层是一种典型的多层结构系统，由基底、中间过渡层以及顶部陶瓷层组成。基底的作用主要是承受机械载荷, 常用的材料是高温合金材料。中间过渡层(也称之为粘结层) 的作用是将陶瓷层与基底层很好地粘结在一起, 并提高基底的抗氧化性能。陶瓷层的主要作用是隔热与延缓氧化。当热障涂层在高温环境下工作时, 粘结层会发生氧化, 在陶瓷层与粘结层之间生成一层氧化层，从而阻止了基体合金在高温环境下的氧化腐蚀。

搪瓷具有耐高温氧化、酸性环境热腐蚀，涂层和基体材料结合紧密，涂层热膨胀系数可调，热化学稳定性高，结构致密、抗腐蚀能力优异，同时涂层制备工艺简单，成本低等优点。但是普通的搪瓷耐受高温程度有限，所以通过在搪瓷原料中加入耐高温的氧化钇、氧化铈等稀土元素，从而提高搪瓷的耐高温氧化行为。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法，这种搪瓷隔热涂层材料具有耐高温氧化和耐热腐蚀能力，使得钛合金可用于多种高温场合。 

本发明是这样来实现的，一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料配方如下（质量百分比）：

SiO₂       60~70

Al₂O₃      0.5~2.5

B₂O₃       1~5

CoO       0~2

TiO₂       2~6

CaO       0.2~3.0

NaNO₃     5~10

KMnO₄     1~4

ZrO₂       2~10

V₂O₅       0.5~1

CaF₂       1~4

NiO        0.2~1。

本发明所述钛合金搪瓷隔热涂层材料的制备方法，其特征在于方法包括五个步骤，为搪瓷釉料的制备、料浆制备、金属基体预处理、料浆涂覆、金属基体干燥和烧结，具体步骤如下：

（1）将按比例配好的原料用球磨机球磨混合均匀，在1350±20℃温度下熔制，将熔融的粉料在水中冷淬，然后在90℃热风干燥箱中风干四个小时后得块状搪瓷釉料；

（2）将前述制得的块状搪瓷釉料添加下述磨加物，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨后得到釉浆；

（3）在涂瓷釉之前，合金基体先需用砂纸打磨抛光，乙醇浸泡等前处理；

（4）球磨得到的釉浆经高压空气（0.4-0.6MPa）喷成雾状，在经过打磨抛光处理后钛合金基体上，形成一层涂层，经过900-1000℃烧成，保温1小时，即可。

本发明的优点是：搪瓷涂层耐900℃空气氧化增重小于0.1mg/cm²，850℃耐熔盐腐蚀失重小于0.1mg/cm²，搪瓷涂层和金属基体附着力好，耐温差急变性高于300℃，耐机械冲击性大于300×10^-3J。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

实例一

钛合金搪瓷隔热涂层材料原料配方化学组成（按重量百分比）为：

SiO₂       65

Al₂O₃      2.0

B₂O₃       4

CoO       1.5

TiO₂       4

CaO       2.3

NaNO₃     9

KMnO₄     2

ZrO₂       8

V₂O₅       0.6

CaF₂       3.3

NiO        0.3。

将上述原料混匀后，在1350℃加入到马弗炉中，在1350℃保温熔融4小时后出料先经水淬，然后在90℃热风干燥箱中风干四个小时得块状搪瓷釉料。

将块状搪瓷釉料加入球磨机，同时加入如下物质，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨72小时，得到搪瓷釉浆。

将上述所得搪瓷釉浆喷涂到TiC4合金表面，经充分干燥后，形成一层涂层，经过950℃烧成工艺后，保温1小时，TiC4合金表面得到一层搪瓷涂层。按如上所得瓷釉的理化性能如表1所示。

表一 实施例1产品理化性能指标情况表

实例二

钛合金搪瓷隔热涂层材料原料配方化学组成（按重量百分比）为：

SiO₂       70

Al₂O₃      2.0

B₂O₃       3.0

CoO       1.0

TiO₂       5.0

CaO       2.0

NaNO₃     7.0

KMnO₄     2.9

ZrO₂       4.0

V₂O₅       0.5

CaF₂       2.0

NiO        0.6。

将上述原料混匀后，在1370℃加入到马弗炉中，在1370℃保温4个小时后出料先经水淬，然后在90℃热风干燥箱中风干四个小时得块状搪瓷釉料。

将块状搪瓷釉料加入球磨机，同时加入如下物质，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨72小时，得到搪瓷釉浆。

将上述所得搪瓷釉浆喷涂到TiAl合金表面，经充分干燥后，形成一层涂层，   经过1000℃烧成工艺后，保温1小时，TiAl合金表面得到一层搪瓷涂层。按如上所得瓷釉的理化性能如表2所示。

表二   实施例2 产品理化性能指标情况表

实例三

钛合金搪瓷隔热涂层材料原料配方化学组成（按重量百分比）为：

SiO₂       60

Al₂O₃      2.5

B₂O₃       5.0

CoO       2.0

TiO₂       6.0

CaO       3.0

NaNO₃     9.5

KMnO₄     4.0

ZrO₂       2.0

V₂O₅       1.0

CaF₂       4.0

NiO        1.0。

将上述原料混匀后，在1370℃加入到马弗炉中，在1370℃保温4个小时后出料先经水淬，然后在90℃热风干燥箱中风干四个小时得块状搪瓷釉料。

将块状搪瓷釉料加入球磨机，同时加入如下物质，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨72小时，得到搪瓷釉浆。

将上述所得搪瓷釉浆喷涂到TiAl合金表面，经充分干燥后，形成一层涂层，   经过1000℃烧成工艺后，保温1小时，TiAl合金表面得到一层搪瓷涂层。按如上所得瓷釉的理化性能如表2所示。

表三   实施例3 产品理化性能指标情况表

实例4

钛合金搪瓷隔热涂层材料原料配方化学组成（按重量百分比）为：

SiO₂       69

Al₂O₃      0.5

B₂O₃       1.0

CoO       0.1

TiO₂       2.0

CaO       0.2

NaNO₃     10

KMnO₄     3.5

ZrO₂       10

V₂O₅       0.5

CaF₂       3.0

NiO        0.2。

将上述原料混匀后，在1370℃加入到马弗炉中，在1370℃保温4个小时后出料先经水淬，然后在90℃热风干燥箱中风干四个小时得块状搪瓷釉料。

将块状搪瓷釉料加入球磨机，同时加入如下物质，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨72小时，得到搪瓷釉浆。

将上述所得搪瓷釉浆喷涂到TiAl合金表面，经充分干燥后，形成一层涂层，   经过1000℃烧成工艺后，保温1小时，TiAl合金表面得到一层搪瓷涂层。按如上所得瓷釉的理化性能如表2所示。

表四   实施例4 产品理化性能指标情况表

实例五

钛合金搪瓷隔热涂层材料原料配方化学组成（按重量百分比）为：

SiO₂       70

Al₂O₃      1.8

B₂O₃       2.5

CoO       1.0

TiO₂       4.0

CaO       3.0

NaNO₃     5.0

KMnO₄     1.0

ZrO₂       10

V₂O₅       1

CaF₂       0.1

NiO        0.6。

将上述原料混匀后，在1370℃加入到马弗炉中，在1370℃保温4个小时后出料先经水淬，然后在90℃热风干燥箱中风干四个小时得块状搪瓷釉料。

将块状搪瓷釉料加入球磨机，同时加入如下物质，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨72小时，得到搪瓷釉浆。

将上述所得搪瓷釉浆喷涂到TiAl合金表面，经充分干燥后，形成一层涂层，   经过1000℃烧成工艺后，保温1小时，TiAl合金表面得到一层搪瓷涂层。按如上所得瓷釉的理化性能如表2所示。

表五   实施例5 产品理化性能指标情况表

Claims (2)

1.一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料，其特征在于配方组份为：

SiO₂       60~70

Al₂O₃      0.5~2.5

B₂O₃       1~5

CoO       0~2

TiO₂       2~6

CaO       0.2~3.0

NaNO₃     5~10

KMnO₄     1~4

ZrO₂       2~10

V₂O₅       0.5~1

CaF₂       1~4

NiO        0.2~1。

2.一种权利要求1所述钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料的制备方法，其特征在于方法包括五个步骤，为搪瓷釉料的制备、料浆制备、金属基体预处理、料浆涂覆、金属基体干燥和烧结，具体步骤如下：

（1）将制备搪瓷的原料按下属配方称重，球磨使其混合均匀，在1350±20℃温度下熔制，将熔融液体在水中冷淬，然后在90℃鼓风干燥箱中干燥4小时后得块状搪瓷釉料；

（2）将前述制得的块状搪瓷釉料添加下述磨加物，磨加物和搪瓷釉料质量相比：粘土 5%、膨润土0.5%、氧化铈8%，氧化钇3%，硅氟化钠0.5%和水50%，球磨72小时得到釉浆；

（3）金属基体先用砂纸打磨抛光，乙醇浸泡等前处理；

（4）用高压喷枪将釉浆涂覆到经过打磨抛光处理后钛合金基体上，经过900-1000℃烧成工艺后，保温1小时，即可。