CN105400240A - 一种用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层及其制备方法，属于钛基合金高温防护涂层制备技术领域。所述涂层选用磷酸盐为成膜物质，选取Ni粉、Al粉和MCrAlY等金属粉末和氧化铝、氧化硅、氧化锆、碳化硅等耐高温粉末为填料，按一定比例混合，在钛基高温合金如O相Ti2AlNb、r-TiAl为主要合金成分的钛基材上喷涂制备成无机高温防护涂层，随后经过热处理，制备出主要成分为氧化物和金属粉末等构成的无机涂层。该制备方法操作简便，成本低，所获涂层与基材相容性好，结合力强，抗氧化性能良好，是一种很有前景的钛基高温合金抗高温氧化防护涂层。
Description
技术领域
本发明涉及钛基合金高温防护涂层制备技术领域，具体涉及一种用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机和工业燃机长期处在高温、高湿、高盐雾等恶劣环境中。在这种苛刻的环境下，金属及其复合材料制备的关键部件常面临严重的腐蚀问题。目前国外应用于航空发动机和工业燃机部件防护的防腐涂层主要为磷酸盐系列涂层。
无机磷酸盐表面粘接涂层主要利用无机磷酸盐材料的粘结性质发展起来的一种技术[AllenC.Inorganiccoatingandbonding.PatentUS3248251.1966]。这项技术综合了无机磷酸盐粘结材料的特性和粘涂技术的优势。首先，无机磷酸盐是一种具有粘结性质的高温耐火材料，耐火度范围可达1500～3000℃；耐急冷急热性能好，可经受-30～2000℃的冷热循环不破坏；比重小，在2以下；与金属、陶瓷和石墨等材料有很强的粘结力；可掺性好，可广泛应用于现代工业和尖端科学技术领域[陈孜,张雷,周科朝.磷酸盐基耐高温无机胶黏剂的研究进展.粉末冶金材料科学与工程,2009,14,74-82.]。其次，由于采用粘涂工艺，涂层应力分布均匀、强度高、耐高温性能和抗磨损性能好；涂层制备工艺简单，成本低；配以不同功能的颜料、填料，可以制备出多种防护涂层。目前国外已经研制出一系列磷酸盐涂层，广泛应用于航空发动机和地面燃机轴和叶片、锅炉蓄热室、过热管等部位。
磷酸盐耐高温防护涂层技术主要集中在功能涂层研究，如热处理炉防损涂层、工业高温炉防热腐蚀涂层、表面耐热绝缘涂层、电站高温耐磨陶瓷涂层、汽车工业达克罗防腐涂层等，汽车发动机尾管防腐涂层等领域[刘文超.磷酸盐结合剂及金属基高温耐磨陶瓷涂层的制备与性能的研究[D].长沙:湖南大学,2001]。目前尚无将磷酸盐涂层用于钛基高温合金抗高温氧化防护的报道。
众所周知，Ti基高温合金，特别是γ-TiAl和O相Ti2AlNb基合金具有低密度、高弹性模量和优异的高温性能等特性，是极具希望的新型高温结构材料，在航空、航天工业中具有广泛的应用前景。然而高温氧化和环境脆化问题制约了这类合金的实际应用[J.C.Williams:IntermetallicsforStructuralApplications:Potential,RealityandtheRoadAhead,inISSI-StructuralIntermetallics,TMS,Warrendale,PA.(1997)]。为克服这种环境因素导致的材料脆化问题，对合金施加防护涂层十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层及其制备方法。该涂层的成膜物质为磷酸盐，功能填料为氧化物、碳化物和金属粉末及其构成的混合物，具有较好的抗高温氧化性能；制备方法采用浸涂、淋涂、刷涂、喷涂等涂料涂覆的方法，操作简便，成本容易控制，形成涂层质量好，高温氧化试验表明涂层具有很好的防护性能。
本发明的技术方案是：
一种用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层，该磷酸盐涂层是由无机磷酸盐和功能粉末组成，涂层中无机磷酸盐的重量百分含量为20～80％，优选为30～50％。
所述钛基高温合金主要成分为O-相Ti2AlNb或γ-TiAl。
所述无机磷酸盐为磷酸铝、磷酸二氢铝、磷酸镁、磷酸氢镁、磷酸铁、磷酸二氢铁、磷酸铬和磷酸二氢铬中的一种或几种。
所述功能粉末为耐高温无机粉末和/或金属粉末；其中：所述耐高温无机粉末为氧化铝、氧化硅、氧化铬、氧化锆、氧化钇和碳化硅中的一种或几种；所述金属粉末为Ni粉、Al粉和MCrAlY粉中的一种或几种。
所述用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层的制备方法，该方法是采用无机磷酸盐作为成膜物质，功能粉末作为填料，将无机磷酸盐和功能粉末混合均匀后涂覆到钛基高温合金基材上，然后经过热处理，制备出所述磷酸盐涂层。
所述涂覆的方法为浸涂、淋涂、刷涂或喷涂。
所述热处理过程中：热处理温度100～500℃，热处理时间0.5～10h。
所制备的磷酸盐涂层是主要成分为含Al、Si、P、O、Cr、Mg、Fe等元素的无机涂层。该涂层孔隙率低，与基材相容性好，结合力强，抗高温氧化性能良好。
本发明的有益效果是：
1、本发明设计的涂层具有很好的抗高温防护效果。
2、本发明涂层采用无机涂料涂覆方法制备，原料采用无机磷酸盐、氧化物颗粒、碳化物颗粒、金属粉末，混合后，涂覆到基材上，然后经过热处理，制备出目标涂层。涂层成分容易控制，操作简便。
3、本发明采用无机磷酸盐涂料制备钛基合金高温防护涂层，不需要采用大型设备，可以实现复杂构件涂层制备，操作简便，适用范围广。
4、本发明效率高、成本较低。
附图说明
图1为实施例1制备的磷酸盐涂层表面形貌图。
图2为实施例1制备的磷酸盐涂层XRD谱图。
图3为实施例1制备的磷酸盐涂层氧化曲线。
图4为实施例2制备的磷酸盐涂层氧化后典型元素EPMA谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
将磷酸铝、氧化铝、氧化硅、氧化铬按3：1：1：0.5的重量比例混合20min，球磨搅拌0.5h，然后将所得混合粉末喷涂到γ-TiAl基高温合金基体上，随后在350℃热处理2h，制备了无机磷酸盐-氧化物耐高温氧化涂层。涂层形貌如图1所示，涂层表面均匀，没有裂纹。涂层主要含Al、Si、P、O、Cr、Mg、Fe等元素(图2)。涂层在950℃表现出较好的抗高温氧化性能，如图3所示，氧化1100h后，涂层增重与纯基材相比，增重很少，涂层氧化曲线形成抛物线型，施加涂层的基材防护效果十分明显。
实施例2
将磷酸铬、氧化铝、氧化硅、氧化铬按3：1：1：0.5的重量比例混合20min，球磨搅拌3h，然后将所得混合粉末喷涂到γ-TiAl基高温合金基体上，随后在450℃热处理2h，制备了无机磷酸盐-氧化物耐高温氧化涂层。涂层表面均匀，没有裂纹。实验结果表明涂层防护效果十分明显(图4)。
实施例3
将磷酸铬、氧化铝、氧化硅、氧化铬、MCrAlY按3：1：1：0.5：1的重量比例混合20min，球磨搅拌1h，然后用喷涂到γ-TiAl基高温基体，涂层，随后在450℃热处理2h，制备了无机磷酸盐耐高温氧化涂层。涂层表面均匀，没有裂纹。实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例4
将磷酸铝、磷酸镁、氧化铝、碳化硅、氧化铬、MCrAlY按1：1：1：1：0.5：1的重量比例混合20min，球磨搅拌10h，然后用喷涂到γ-TiAl基高温基体，随后在550℃热处理0.5h，制备了无机磷酸盐耐高温氧化涂层。涂层表面均匀，没有裂纹。实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例5
将磷酸铝、氧化硅、氧化铬、铝粉、镍粉按3：1：0.5：1：1的重量比例混合20min，球磨搅拌1h，然后用喷涂到o-相Ti2AlNb基高温合金基体，随后在250℃热处理5h，制备了无机磷酸盐耐高温氧化涂层。涂层表面均匀，没有裂纹。实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例6
将磷酸铝、氧化硅、氧化铬、铝粉、镍粉按5：0.2：0.5：1：1的重量比例混合20min，球磨搅拌1h，然后用喷涂到o-相Ti2AlNb基高温合金基体，随后在250℃热处理5h，制备了无机磷酸盐耐高温氧化涂层。涂层表面均匀，没有裂纹。实验结果表明涂层防护效果十分明显。
Claims (8)
1.一种用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层，其特征在于：该磷酸盐涂层是由无机磷酸盐和功能粉末组成，涂层中无机磷酸盐的重量百分含量为20～80％。
2.根据权利要求1所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层，其特征在于：所述磷酸盐涂层中无机磷酸盐的重量百分含量为30～50％。
3.根据权利要求1所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层，其特征在于：所述钛基高温合金主要成分为O-相Ti2AlNb或γ-TiAl。
4.根据权利要求1所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层，其特征在于：所述无机磷酸盐为磷酸铝、磷酸二氢铝、磷酸镁、磷酸氢镁、磷酸铁、磷酸二氢铁、磷酸铬和磷酸二氢铬中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层，其特征在于：所述功能粉末为耐高温无机粉末和/或金属粉末；其中：所述耐高温无机粉末为氧化铝、氧化硅、氧化铬、氧化锆、氧化钇和碳化硅中的一种或几种；所述金属粉末为Ni粉、Al粉和MCrAlY粉中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层的制备方法，其特征在于：该方法是采用无机磷酸盐作为成膜物质，功能粉末作为填料，将无机磷酸盐和功能粉末混合均匀后涂覆到钛基高温合金基材上，然后经过热处理，制备出所述磷酸盐涂层。
7.根据权利要求6所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层的制备方法，其特征在于：所述涂覆的方法为浸涂、淋涂、刷涂或喷涂。
8.根据权利要求6所述的用于钛基高温合金高温防护的磷酸盐涂层的制备方法，其特征在于：所述热处理过程中：热处理温度100～500℃，热处理时间0.5～10h。
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