CN105154835B - 一种γ‑TiAl合金表面耐磨损防护涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种γ‑TiAl合金表面耐磨损防护涂层,耐磨损防护涂层为Cr‑Mo涂层,Cr‑Mo涂层包括沉积层和互扩散层,Cr‑Mo涂层在γ‑TiAl合金的表面,通过互扩散层实现Cr‑Mo涂层与γ‑TiAl合金之间的冶金结合。本发明还公开了一种γ‑TiAl合金表面耐磨损防护涂层的制备方法。本发明涂层表面组织结构致密,生成的硬质相颗粒细小、弥散分布,无孔洞等缺陷,能强化基体,使硬度升高,大幅度提高了材料在不同温度条件下的耐磨损性能。该涂层与基体之间存在互扩散现象,为冶金结合,结合强度高且牢靠,元素成分沿着深度而呈梯度变化,也未产生开裂,有利于沉积层和基体两者之间的结合,进一步提高涂层的耐磨损性能。
Description
技术领域
本发明属于航空航天部件表面的防护技术领域,具体涉及一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层及其制备方法。
背景技术
γ-TiAl合金在航空工业上的应用,主要是由于其具有优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性,比如航空构架中要求合金具有高抗拉强度、高蠕变抗力并结合良好的疲劳强度和断裂韧性。与传统的镍基高温合金相比,γ-TiAl合金因其优异的高温抗拉强度、蠕变强度、高比强度和高温稳定性而被广泛应用,在航空工业中主要用于制造飞机发动机和机身。在工作情况下,飞机发动机如果吸入外物或内部机件掉块,会导致高速旋转的叶片受到一定的冲击,并由此可能造成叶片损伤掉块,导致后面级的叶片受到不同程度的损伤,进而后续反应会使得轴承失效,从而带来转子径向、轴向的位移和串动、机匣的凹陷变形等现象,这些现象可能会引起转子与定子之间的摩擦,随着摩擦程度的加剧,会产生大量的热。同时由于钛合金属于热的不良导体,摩擦过程中所产生的热量不能进行有效传导或散失,因而会造成局部温度过高,当温度超过钛合金的燃点时,则会导致燃烧,这给部件的使用带来一定的安全隐患。同时当其用作于滑动部件时,也存在一定的粘着磨损和微动磨损倾向。
采用先进的表面防护技术手段,是解决上述相关磨损问题的有效方法之一。目前,表面工程技术方面得到了国内外的重视与关注。作为钛合金表面防护涂层应满足以下条件:
(1)涂层应具有良好的耐磨损性能;(2)涂层与基体的结合良好;(3)涂层对钛合金基体性能不会产生有害影响;(4)涂层结构应致密,孔隙、裂纹等缺陷出现较少。目前为止取得一定研究成果的表面工程技术包括等离子喷涂技术、离子注入法、激光熔覆法、表面沉积涂层法、多弧离子镀等,但它们又同时存在一些不足之处,如等离子喷涂后涂层与基体之间的结合较差;离子注入时深度较浅;常规CVD(激光熔覆法)在较高的温度容易引起基体组织的结晶、再长大变化,降低工件的强度和影响工件的形状尺寸等;用PVD(表面沉积涂层法)涂层又会存在界面结合问题;激光熔敷表面容易开裂等,从而所获得的涂层容易在高温、循环应力作用下剥落而失去防护作用。因此,为了满足部件在航空航天领域内的迫切需求,钛合金的耐磨损能力的提高业已成为需要解决的关键问题。
发明内容
本发明目的是针对于γ-TiAl合金耐磨性较差的问题与现有技术的不足,提供一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层及其制备方法,采用双辉等离子表面冶金技术,在一定程度上提升材料的耐磨性。
本发明采用以下技术方案:
一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,所述的耐磨损防护涂层为Cr-Mo涂层,Cr-Mo涂层包括沉积层和互扩散层;所述的Cr-Mo涂层在γ-TiAl合金的表面,通过互扩散层实现Cr-Mo涂层与γ-TiAl合金(基体)之间的冶金结合。
所述的Cr-Mo涂层厚度为6~8μm,沉积层厚度为4~5μm,互扩散层的厚度为2~3μm。所述的互扩散层由Mo、Cr、Al和Ti组成的Mo-Cr-Al-Ti互扩散层,Mo与Cr的含量从互扩散层表面由外向内梯度下降,Ti与Al的含量则从互扩散层表面至基体呈上升趋势,期间含量均无成分突变的特点。
所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层由以下制备方法制得的:
(1)将γ-TiAl合金、Cr-Mo合金靶材装入双层辉光离子表面合金化装置中,以γ-TiAl合金为工件极,将Cr-Mo靶材置于源极架上,作为源极;
(2)抽真空至0.1Pa以下,后充入高纯度氩气至10~60Pa,启动双层辉光离子表面合金化装置,调试工艺参数为:
靶材电压:900~950V;
工件电压:450~500V;
氩气气压:48~50Pa;
靶材与工件极间距:16~20mm;
保温时间:3~4h;
(3)降低电压,降温,停止双层辉光离子表面合金化装置,断电,打开空气阀,使炉内气压与外界大气压保持在同一水平;
(4)打开装置,取出工件,完成合金层制备,得到耐磨损防护涂层。
步骤(2)中,保温时间优选为3h。
一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层的制备方法,包括如下步骤:
(1)将γ-TiAl合金、Cr-Mo合金靶材装入双层辉光离子表面合金化装置中,以γ-TiAl合金为工件极,将Cr-Mo靶材置于源极架上,作为源极;
(2)抽真空至0.1Pa以下,后充入高纯度氩气至10~60Pa,启动双层辉光离子表面合金化装置,调试工艺参数为:
靶材电压:900~950V;
工件电压:450~500V;
氩气气压:48~50Pa;
靶材与工件极间距:16~20mm;
保温时间:3~4h;
(3)降低电压,降温,停止双层辉光离子表面合金化装置,断电,打开空气阀,使炉内气压与外界大气压保持在同一水平;
(4)打开装置,取出工件,完成合金层制备,得到耐磨损防护涂层。
所述的Cr-Mo靶材中成分配比为Cr占50-60(wt)%,余量为Mo。
所述的高纯度氩气为纯度99.9%的氩气。
步骤(2)中,保温时间优选为3h。
优选的,步骤(3)中,电压将至零,温度降至室温,停止双层辉光离子表面合金化装置,断电,破真空至大气压下。
本发明的有益效果:
本发明采用双辉等离子表面冶金技术在γ-TiAl合金表面制备防护涂层,与一般的硬质合金涂层不同,它是由沉积层和互扩散层组成,表面组织结构致密,生成的硬质相颗粒细小、弥散分布,无孔洞等缺陷的出现,能强化基体,使硬度升高,大幅度提高了材料在不同的温度条件下的耐磨损性能。该涂层与基体之间存在互扩散现象,为冶金结合,结合强度高且牢靠,元素成分沿着深度而呈梯度变化,也未产生开裂,有利于沉积层和基体两者之间的结合,因而可进一步提高涂层的耐磨损性能。通过本发明方法在γ-TiAl合金制备的涂层具有良好的耐磨损性能,同时基体材料的性能也得以完整保留。由于研究对象的典型性,其研究成果将能推广到其他材料中,为表面工程领域提供了新的工艺方法和思路等。
附图说明
图1为本发明γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层的结构示意图。其中:1为沉积层、2为互扩散层、3为γ-TiAl合金。
图2为本发明实施例1所得γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层的扫描电镜图(放大倍数为1000倍)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。对于本领域的技术人员来说,可以在所列数值范围的基础上进行合理概括和推理。
实施例1
一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,按照以下制备方法进行制备:
(1)将γ-TiAl合金和Cr-Mo合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中,以钛合金为工件极,以Cr-Mo合金靶材为源极;Cr-Mo合金靶材成分配比为Cr占50wt%,Mo占50wt%。
(2)抽真空至0.1Pa以下,后充入高纯度氩气(纯度99.9%的氩气)至10~60Pa;启动辉光,调试工艺参数至如下值:
靶材电压:900V;
工件电压:450V;
氩气气压:48Pa;
靶材与工件极间距:16mm;
保温时间:3h;
(3)降低电压,降温,停止辉光,断电,打开空气阀,使炉内气压与外界大气压保持在同一水平;
(4)打开装置,取出工件,完成合金层制备,得到耐磨损防护涂层。
见图2,该涂层表面组织致密均匀,无空洞、裂纹等缺陷,表面形貌完好,厚度约为8μm,硬度高,该涂层与基体(γ-TiAl合金,下同)间存在Cr-Mo-Ti-Al互扩散层,厚度约为3μm,与基体实现了良好的冶金结合。
该涂层具有较高的硬度,为1053.4HV0.1,远高于γ-TiAl合金的硬度(306.1HV0.1)。该涂层在室温(20℃)及高温(500℃)下磨损试验结果表明:涂层在室温(20℃)的相对磨损率降低了66.8%,而在高温(500℃)的相对磨损率的降低了45.5%。
实施例2
一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,按照以下制备方法进行制备:
(1)将γ-TiAl合金和Cr-Mo合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中,以钛合金为工件极,以Cr-Mo合金靶材为源极。Cr-Mo合金靶材成分配比为Cr占60wt%,Mo占40wt%。
(2)抽真空至0.1Pa以下,后充入高纯度氩气(纯度99.9%的氩气)至10~60Pa。启动辉光,调试工艺参数至如下值:
靶材电压:950V;
工件电压:500V;
氩气气压:50Pa;
靶材与工件极间距:20mm;
保温时间:3h;
(3)降低电压,降温,停止辉光,断电,打开空气阀,使炉内气压与外界大气压保持在同一水平;
(4)打开装置,取出工件,完成合金层制备;得到耐磨损防护涂层。
该涂层表面组织致密均匀,无空洞、裂纹等缺陷,表面形貌完好,厚度约为6μm,该涂层组织致密,硬度高,该涂层与基体间存在Cr-Mo-Ti-Al互扩散层,厚度约为2μm,与基体实现了良好的冶金结合。
该涂层具有较高的硬度,为920.2HV0.1,远高于γ-TiAl合金的硬度(306.1HV0.1)。该涂层在室温(20℃)及高温(500℃)下磨损试验结果表明:涂层在室温(20℃)的相对磨损率降低了58.4%,而在高温(500℃)的相对磨损率降低了33.4%。
Claims (8)
1.一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,其特征在于:所述的耐磨损防护涂层为Cr-Mo涂层,Cr-Mo涂层包括沉积层和互扩散层;所述的Cr-Mo涂层在γ-TiAl合金的表面,通过互扩散层实现Cr-Mo涂层与γ-TiAl合金之间的冶金结合;所述的互扩散层由Mo、Cr、Al和Ti组成的Mo-Cr-Al-Ti互扩散层,Mo与Cr的含量从互扩散层表面由外向内梯度下降,Ti与Al的含量则从互扩散层表面至基体呈上升趋势。
2.根据权利要求1所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,其特征在于:所述的Cr-Mo涂层厚度为6~8μm,沉积层厚度为4~5μm,互扩散层的厚度为2~3μm。
3.根据权利要求1所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,其特征在于:所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层由以下制备方法制得的:
(1)将γ-TiAl合金、Cr-Mo合金靶材装入双层辉光离子表面合金化装置中,以γ-TiAl合金为工件极,将Cr-Mo靶材置于源极架上,作为源极;
(2)抽真空至0.1Pa以下,后充入高纯度氩气至10~60Pa,启动双层辉光离子表面合金化装置,调试工艺参数为:
靶材电压:900~950V;
工件电压:450~500V;
氩气气压:48~50Pa;
靶材与工件极间距:16~20mm;
保温时间:3~4h;
(3)降低电压,降温,停止双层辉光离子表面合金化装置,断电,打开空气阀,使炉内气压与外界大气压保持在同一水平;
(4)打开装置,取出工件,完成合金层制备,得到耐磨损防护涂层。
4.根据权利要求3所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,其特征在于:所述的Cr-Mo靶材的成分配比为:Cr占50-60wt%,余量为Mo。
5.根据权利要求3所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层,其特征在于:步骤(2)中,保温时间为3h。
6.一种γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将γ-TiAl合金、Cr-Mo合金靶材装入双层辉光离子表面合金化装置中,以γ-TiAl合金为工件极,将Cr-Mo靶材置于源极架上,作为源极;
(2)抽真空至0.1Pa以下,后充入高纯度氩气至10~60Pa,启动辉光,调试工艺参数为:
靶材电压:900~950V;
工件电压:450~500V;
氩气气压:48~50Pa;
靶材与工件极间距:16~20mm;
保温时间:3~4h;
(3)降低电压,降温,停止辉光,断电,打开空气阀,使炉内气压与外界大气压保持在同一水平;
(4)打开装置,取出工件,完成合金层制备,得到耐磨损防护涂层。
7.根据权利要求6所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层的制备方法,其特征在于:所述的Cr-Mo靶材的成分配比为:Cr占50-60wt%,余量为Mo。
8.根据权利要求6所述的γ-TiAl合金表面耐磨损防护涂层的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,保温时间为3h。
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