CN105401116A - 一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于步骤如下：（1）TiAl3粉以及纯Al粉按比例混合24h后，烘烤；（2）将钛合金表面用砂纸打磨掉表面的毛刺，用酒精超声清洗，再对钛合金表面进行喷砂处理，用酒精超声清洗5~20min；（3）低温超音速火焰喷涂方法或冷喷涂方法在钛合金基材表面制备TiAl3-Al涂层。本发明提供一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，该涂层能够大幅提高钛合金的抗氧化性能；制备方法分别采用低温超音速火焰喷涂技术或冷喷涂技术，该方法操作简便，易于控制，形成的涂层质量好。

Description

一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，属于表面技术领域，采用热喷涂方法制备TiAl3-Al防护涂层。
背景技术
钛合金是上世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，具有非常优异的物理和机械性质，如低密度、高比强度、耐腐蚀性，已经被广泛应用于航空、航天、石油、化工、冶金等领域。但同时钛合金也存在一定的缺点，比如高温下极易氧化，且在合金表面形成不具保护作用的氧化物，氧化层下面的基体固溶大量的氧原子从而形成脆性富氧层，严重损害了合金的机械性能，影响了钛合金的使用。
钛合金在高温使用时的防护技术研究受到了国内外的重视与关注。钛合金表面的氧化行为可以通过改变合金的成分和控制组织结构来改善，其中，涂层技术既能让钛合金获得最佳的力学性能，还能对其起到表面防护的作用。作为钛合金表面高温抗氧化及隔热防护涂层应满足以下条件：(1)涂层高温下长期工作的稳定性；(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)涂层应足够致密，无孔隙、裂纹之类的。
高温防护涂层通常分为两种：扩散涂层和包覆涂层。扩散涂层有一个致命的缺点，就是涂层与基体的互扩散容易导致基体性能受到损害，对于钛合金来说，影响尤为显著。包覆涂层具有成本低，实用性高的特点。这类涂层不易与基体发生扩散；同时由于工艺温度较低，对钛合金的力学性能影响也较小。主要的涂层制备方法有热喷涂（包括冷喷涂）、离子镀膜、磁控溅射、CVD等。从涂层成分上可分为MCrAlY类、TiAlN类、搪瓷涂层、玻璃-陶瓷类涂层和Ti-Al-X类等。近年来，Ti-Al-X（X为Cr、Ag和W等）类涂层展现出优良的高温防护性能。这类涂层同基体有较好的相容性，同时，涂层化学成分与钛合金基体间差异小，涂层同基体之间互扩散的程度较MCrAlY类涂层大幅降低。TiAlCr涂层的热膨胀系数与基体相近，氧化膜具有良好的粘附性。研究表明，只有当涂层中Cr含量大于10at%时，高温下才会形成连续的Al2O3氧化膜。随着Cr含量增高，Al2O3氧化膜增厚，但过高的Cr含量会导致涂层的脆性增大。最近的研究表明，Ag可以部分代替Cr发挥“第三元素”效应，降低涂层中Cr含量。但是通过磁控溅射或者其他PVD技术的涂层沉积速度低，生产效率非常低，对于制备厚度较高的涂层难度较大，因此导致涂层的生产成本较高；同时，Ag的加入也使得涂层的制备成本进一步提高。Ti-Al系金属间化合物具有低密度、高比强度、高温力学性能好、高温抗氧化及耐腐蚀性能优异等特点。其中TiAl3密度最小，且具有最好的高温抗氧化性能。但是目前所报道的涂层几乎都是需要涂层材料与基材进行原位反应获得TiAl3涂层，由于需要进行后续的真空热处理，涂层工艺较为复杂，并且涂层与基材的互扩散行为会严重影响基材的力学性能。另外，不管是PVD技术还是真空热处理扩散技术，都需要在高真空条件下实现，技术工艺复杂，成本高昂，因真空腔体的有限，对工件尺寸也有较大的限制。这些涂层材料和涂层技术都不能满足钛合金对高温防护涂层的低成本、高效需求。
低温超音速火焰喷涂是在传统超音速火焰喷涂基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。通过对喷枪结构进行改造，可以获得低温超音速的焰流，特别适合对热和氧化敏感的粉末和基体。冷喷涂技术是近年来发展迅猛的新型热喷涂技术，该工艺特点是焰流温度低，一般低于金属材料的熔点，主要是通过高速粒子撞击基体后的塑性变形而形成致密的涂层。本发明拟直接采用TiAl3和纯Al为原料，按一定比例机械混合后，采用低温超音速火焰喷涂或冷喷涂技术直接形成涂层，Al粉的加入能一定程度上改善TiAl3脆性过大的缺点。这种方法操作方便，易于控制，非常适合于在大面积钛合金工件表面高效制备防护涂层。包覆有高温防护涂层的氧化试验结果表明，涂层具有良好的高温防护性能。国内外未见此技术的报道。
发明内容
本发明提供一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，该涂层能够大幅提高钛合金的抗氧化性能；制备方法分别采用低温超音速火焰喷涂技术或冷喷涂技术，该方法操作简便，易于控制，形成的涂层质量好。
本发明的钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法步骤如下：
（1）TiAl3粉以及纯Al粉按比例混合24h后，烘烤；
（2）将钛合金表面用砂纸打磨掉表面的毛刺，用酒精超声清洗，再对钛合金表面进行喷砂处理，用酒精超声清洗5~20min；
（3）低温超音速火焰喷涂方法或冷喷涂方法在钛合金基材表面制备TiAl3-Al涂层。
步骤（1）所述的TiAl3粉和纯Al粉的重量比为92:8~80:20，TiAl3粉末粒径为15~120μum，纯Al粉粒径为10~100μm。
所述喷涂TiAl3-Al的涂层厚度为10~100μm。
所述低温超音速火焰喷涂的工艺参数：燃烧室压力1.5~1.8MPa，粉末载气为氮气，流量8~10l/min，喷枪移动速率700~1000mm/s，喷涂距离130~180mm。
所述冷喷涂的工艺参数：采用气体为氮气，预热温度为500~800℃、压力为2.0~4.0MPa、喷枪移动速率50~200mm/s，喷涂距离20~50mm。
本发明的优点：
（1）本发明设计的涂层，对钛合金的抗高温氧化特别有效，且涂层对钛合金基体的机械及物理性能不会产生不良影响。
（2）本发明涂层采用低温超音速火焰喷涂和冷喷涂方法制备，原料采用纯金属间化合物及纯金属粉末，机械混合后，喷涂到基体上制备出目标涂层，涂层成分容易控制，操作简单。
（3）本发明的涂层厚度可控，涂层生产不需要进行高温真空热处理，工艺简单，工件尺寸和形状不受限制。
（4）本发明具有环保、生产效率高的特点，且较其他涂层成本低。
附图说明
图1为实施例1的TiAl3-Al涂层的扫描电镜照片；
图2为实施例1的TiAl3-Al涂层700℃恒温氧化动力学曲线；
图3为实施例1的TiAl3-Al涂层700℃恒温氧化500h后的扫描电镜照片；
图4为实施例2的TiAl3-Al涂层的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
（1）粉末前处理：将粒度为15~120μmTiAl3粉以及粒度为10~100μm纯Al粉按92:8重量比例机械混合24h，放入50℃烘箱中烘烤5h后取出待用。
（2）TC4钛合金基材前处理：将TC4钛合金基体表面用砂纸打磨掉的毛刺，用酒精超声清洗10min，再对TC4钛合金基体表面进行喷砂处理，用酒精超声清洗5min。
（3）低温超音速火焰喷涂涂层：TiAl3粉和纯Al粉混合粉末为热喷涂粉末，使用低温超音速火焰喷涂设备在钛合金基材表面制备TiAl3-Al涂层。工艺参数为：燃烧室压力1.8MPa，送粉载气为氮气，流量9l/min，喷枪移动速率1000mm/s，喷涂距离150mm。
本实施例TiAl3-A涂层厚度为20±5μm。
由图1的扫描电镜可知，所制备的TiAl3-Al涂层与TC4合金基体结合良好，涂层致密。TiAl3-Al涂层全包覆TC4合金基体于700℃大气环境下长时间的高温氧化性能，根据图2的氧化动力学曲线可知，试样在200h内持续增重，这说明涂层在为氧化增重；之后高温氧化1000h后，试样重量基本没有变化，表明具有良好的抗高温氧化效果。图3高温氧化后的涂层剖面扫描电镜结果，涂层与TC4合金基体结合良好，并且没有发生互扩散，涂层厚度没有发生明显变化，仍具有良好的高温防护效果。说明涂层对TiAl3-Al对TC4钛合金基体有着优异的高温防护效果。
实施例2
（1）粉末前处理：将粒度为15~120μmTiAl3粉以及粒度为10~100μm纯Al粉按80:20重量比例机械混合24h，放入40℃烘箱中烘烤6h后取出待用。
（2）TC11钛合金基材前处理：将TC11钛合金表面用砂纸打磨掉表面的毛刺，用酒精超声清洗10min，再对TC11钛合金表面进行喷砂处理，用酒精超声清洗5min。
（3）冷喷涂涂层：TiAl3粉和纯Al粉混合粉末为热喷涂粉末，冷喷涂技术在TC11钛合金基材表面制备TiAl3-Al涂层。工艺参数为：采用气体为氮气、预热温度为550℃、压力为2.5MPa、喷枪移动速率100mm/s，喷涂距离30mm。
本实施例TiAl3-Al涂层厚度为40±5μm。
由图4可见，冷喷涂所制备的TiAl3-Al涂层与基体结合良好，涂层致密。

Claims (6)

1.一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）TiAl3粉以及纯Al粉按比例混合24h后，烘烤；
（2）将钛合金表面用砂纸打磨掉表面的毛刺，用酒精超声清洗，再对钛合金表面进行喷砂处理，用酒精超声清洗5~20min；
（3）低温超音速火焰喷涂方法或冷喷涂方法在钛合金基材表面制备TiAl3-Al涂层。
2.根据权利要求1所述的钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于步骤（1）中所述TiAl3粉和纯Al粉的重量比为92:8~80:20。
3.根据权利要求1或2所述的钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于步骤（1）中所述TiAl3粉末粒径为15~120μum，纯Al粉粒径为10~100μm。
4.根据权利要求1所述的钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于步骤（3）所述低温超音速火焰喷涂的工艺参数：燃烧室压力1.5~1.8MPa，粉末载气为氮气，流量8~10l/min，喷枪移动速率700~1000mm/s，喷涂距离130~180mm。
5.根据权利要求1所述的钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于步骤（3）所述冷喷涂的工艺参数：采用气体为氮气，预热温度为500~800℃、压力为2.0~4.0MPa、喷枪移动速率50~200mm/s，喷涂距离20~50mm。
6.根据权利要求1所述的钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法，其特征在于所述喷涂TiAl3-Al涂层厚度为10~100μm。
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