CN106498385A - 一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金高温防护涂层制备技术,具体为一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法,在钛合金表面采用冷喷涂Al-Si和热扩散处理制备Ti(Al,Si)3的共渗涂层。选用Al-Si合金粉末,采用冷气动力喷涂的方法在温度100~600℃,压力0.3~3.0MPa的条件下,喷涂到钛合金基体上,在100~800℃热扩散处理2~20h后,Al和Si共同渗入钛合金基体表面,制备出主要成分为Ti(Al,Si)3的Al-Si共渗涂层。涂层成分为Ti(Al,Si)3,Si在涂层中均匀分布,涂层厚度在20μm以上。该制备方法操作简单,成分容易控制,所获涂层孔隙率低,与基体相容性、结合力好,具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能,可以很好地解决钛合金高温氧化问题。
Description
技术领域:
本发明涉及钛合金高温防护涂层制备技术,具体为一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法,在钛合金表面采用冷喷涂Al-Si和热扩散处理制备Ti(Al,Si)3的共渗涂层。
背景技术:
Ti-Al系合金,尤其是α-Ti3Al、γ-TiAl和O相Ti2AlNb合金具有低密度、高强度、高熔点和优良的抗蠕变性能,可广泛用于汽车或航空发动机的高温部件,是很有应用前景的轻型高温材料。见文献[1]H.Clemens,andH.Kestler,Processingand Applications of Intermetallic γ‐TiAl‐Based Alloys,Adv.Eng.Mater.,2000,2(9),p 551-570。然而,Ti-Al合金抗高温氧化性能不足,尤其是当其使用温度超过800℃时,表面形成不具有保护性的TiO2氧化膜,同时氧会渗透到基体中与钛基体形成固溶体,降低合金的塑性,严重影响合金的使用性能。见文献[2]A.Rahmel,M.Schütze,and W.Quadakkers,Fundamentals of TiAl Oxidation–a Critical Review,Mater.Corros.,1995,46(5),p 271-285。因此,钛合金在高温状况下使用必须施加涂层进行保护。
目前,Ti-Al合金的防护涂层有很多种。其中,铝化物涂层与基体合金具有很好地相容性,获得了广泛的研究,主要有:粉末包埋渗铝、热浸镀渗铝、电镀铝和热扩散、溅射铝和热扩散以及热喷涂铝及热扩散,这些涂层都在一定程度上提高了基体合金的抗高温氧化能力。见文献[3-9]:
[3]C.H.Koo,and T.H.Yu,Pack Cementation Coatings on Ti3Al-Nb Alloys toModify the High-Temperature Oxidation Properties,Surf.Coat.Technol.,2000,126(2-3),p 171-180;
[4]Z.D.Xiang,S.Rose,and P.K.Datta,Pack Deposition of Coherent AluminideCoatings on Gamma-TiAl for Enhancing Its High Temperature Oxidation Resistance,Surf.Coat.Technol.,2002,161(2-3),p 286-292;
[5]V.Gauthier,F.Dettenwanger,M.Schütze,V.Shemet,and W.Quadakkers,Oxidation-Resistant Aluminide Coatings on γ-TiAl,Oxid.Met.,2003,59(3-4),p233-255;
[6]T.Sasaki,T.Yagi,T.Watanabe,and A.Yanagisawa,Aluminizing of TiAl-BasedAlloy Using Thermal Spray Coating,Surf.Coat.Technol.,2011,205(13-14),p3900-3904;
[7]M.S.Chu,and S.K.Wu,The Improvementof High Temperature Oxidation ofTi–50Al by Sputtering Al Film and Subsequent Interdiffusion Treatment,Acta Mater.,2003,51(11),p 3109-3120;
[8]F.A.Varlese,M.Tului,S.Sabbadini,F.Pellissero,M.Sebastiani,and E.Bemporad,Optimized Coating Procedure for the Protection of TiAl Intermetallic Alloyagainst High Temperature Oxidation,Intermetallics,2013,37,p 76-82;
[9]M.Miyake,S.Tajikara,and T.Hirato,Fabrication of TiAl3Coating onTiAl-Based Alloy by Al Electrodeposition from Dimethylsulfone Bath and SubsequentAnnealing,Surf.Coat.Technol.,2011,205(21-22),p 5141-5146。
此外,在钛合金上渗硅也获得了一定的关注,研究表明渗硅涂层也较好地提高了基体合金的抗氧化性能。见文献[10-12]:
[10]X.Y.Li,S.Taniguchi,Y.C.Zhu,K.Fujita,N.Iwamoto,Y.Matsunaga,K.Nakagawa,Oxidation behavior of TiAl protected by Si plus Nb combined ionimplantation,Intermetallics,9(2001)443-449;
[11]S.Taniguchi,T.Kuwayama,Y.C.Zhu,Y.Matsumoto,T.Shibata,Influence ofsilicon ion implantation and post-implantation annealing on the oxidation behaviour ofTiAl under thermal cycle conditions,Materials Science and Engineering a-StructuralMaterials Properties Microstructure and Processing,277(2000)229-236;
[12]T.C.Munro,B.Gleeson,The deposition of aluminide and silicide coatings ongamma-TiAl using the halide-activated pack cementation method,Metallurgical andMaterials Transactions a-Physical Metallurgy and Materials Science,27(1996)3761-3772。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钛合金高温防护的Al-Si共渗涂层及其制备方法,解决α-Ti3Al,γ-TiAl和O相Ti2AlNb合金的高温氧化问题。该涂层成分为Ti(Al,Si)3,具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能。制备方法采用冷喷涂和热扩散处理,操作简便,易于控制,形成涂层质量高。
本发明的技术方案是:
一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层,涂层成分为Ti(Al,Si)3,Si在涂层中均匀分布,涂层厚度在20μm以上。
所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层,涂层与基体完全呈现冶金结合。
所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层,涂层中还包含微量第三组元Cr或Nb,第三组元所占比列为0~8at%。
一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法,涂层选用Al-Si合金粉末,用冷气动力喷涂设备,其操作条件为温度100~600℃,压力0.3~3.0MPa,直接喷涂到钛合金基体上形成Al-Si共渗涂层。
所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法,喷涂后的涂层在100~800℃热扩散处理2~20h,随炉冷却后,生成Ti(Al,Si)3的金属间化合物。
本发明的设计思想是:
冷喷涂是近年来发展起来的一门新兴涂层制备技术,与传统的热喷涂不同,它是在低温状态下,通过高速粉末颗粒撞击基体时的塑性变形所形成的涂层,因此冷喷涂特别适合对热和氧化敏感的粉末和基体涂层的制备。本发明综合铝和硅的有益作用,拟用冷喷涂Al-Si合金粉末,直接喷涂形成Al-Si涂层,随后通过热扩散形成Al-Si共渗金属间化合物涂层。该方法操作简便,易于控制,高温氧化实验表明该涂层具有很好地抗氧化性能,该技术在国内外未见报导。
本发明的优点及有益效果是:
1.本发明设计的涂层,对钛合金的高温防护包括高温氧化和环境脆化十分有效。
2.本发明涂层采用冷喷涂方法制备,原料采用Al-Si合金粉末,喷涂到基体上后经过热扩散处理,制备出目标涂层。涂层成分容易控制,操作简单。
3.本发明采用冷喷涂方法制备涂层,对基体合金没有影响。
4.本发明成本较低。
附图说明
图1为冷喷涂和热扩散处理后制备的Ti(Al,Si)3涂层截面形貌图。
图2为Ti(Al,Si)3涂层中硅元素分布图。
图3为Ti(Al,Si)3涂层900℃、500h氧化动力学曲线。
具体实施方式
在具体实施方式中,本发明钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法,选用Al-Si合金粉末,用冷气动力喷涂设备,其操作条件为温度100~600℃(优280~320℃),压力0.8~3.0MPa(优选为2.0~2.5MPa),直接喷涂到钛合金基体上形成Al-Si共渗涂层;随后,在300~800℃热扩散处理2~20h后,Al和Si共同渗入钛合金,制备出主要成分为Ti(Al,Si)3的Al-Si共渗涂层。涂层成分为Ti(Al,Si)3,Si在涂层中均匀分布,Al,Si的原子比范围为12:1~5:1。该涂层孔隙率低,与基体相容性、结合力好,具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能,可以很好地解决钛合金高温氧化问题。
本发明中,冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号:01128130.8,授权公告号:CN1161188C)提到的一种冷气动力喷涂装置。
本发明中,钛合金Al-Si共渗涂层的成分为Ti(Al,Si)3,涂层厚度在20μm以上,其中硅在涂层中均匀分布。涂层与基体呈现冶金结合,钛合金Al-Si共渗涂层的厚度一般在20~100μm。另外,涂层中还可以包含微量第三组元Cr或Nb,第三组元所占比列为大于0至8at%(优选为2~2.5at%)。在制备钛合金Al-Si共渗涂层时,原料Al-Si合金粉末的粒度范围为2~50μm。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
将粒度为5~30μm的Al-20Si合金粉末,用冷喷涂设备在在γ-TiAl基体合金上沉积涂层,操作温度300℃,操作压力1.8MPa;随后在750℃热处理12h,随炉冷却,制备出Ti(Al,Si)3涂层,涂层厚度100μm,硅在涂层中均匀分布。
如图1所示,涂层由Ti(Al,Si)3单相组成,涂层与基体之间呈现冶金结合。如图2所示,硅元素在涂层中呈现均匀分布。如图3所示,TiAl基体合金氧化增重非常迅速,表明基体合金在高温氧化过程中生成不具有保护性的氧化膜;而Ti(Al,Si)3涂层的增重缓慢,大大降低了基体合金的氧化速率,表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为:涂层在900℃下等温氧化500h后增重小于2.0mg/cm2。
实施例2
将粒度为5~30μm的Al-12Si合金粉末,用冷喷涂设备在在Ti-22Al-26Nb基体合金上沉积涂层,操作温度250℃,操作压力1.8MPa;随后在650℃热处理10h,随炉冷却,制备出Ti(Al,Si)3/Al复合涂层,涂层厚度100μm。实验结果表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为:涂层在900℃下等温氧化200h后增重小于1.5mg/cm2。
实施例3
将粒度为2~20μm的Al-10Si合金粉末,用冷喷涂设备在在γ-TiAl基体合金上沉积涂层,操作温度250℃,操作压力1.8MPa;随后在700℃热处理12h,随炉冷却,制备出Ti(Al,Si)3涂层,涂层厚度100μm。实验结果表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为:涂层在900℃下循环氧化300次后增重小于3.0mg/cm2。
实施例4
将粒度为将粒度为5~30μm的Al-20Si合金粉末,用冷喷涂设备在在γ-TiAl基体合金上沉积涂层,操作温度250℃,操作压力2.0MPa;随后在600℃热处理24h,随炉冷却,制备出Ti(Al,Si)3/Al复合涂层,Ti(Al,Si)3占80%,Al占20%,涂层厚度80μm。实验结果表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为:涂层在900℃下循环氧化100次后氧化膜无剥落。
实施例5
将粒度为2~20μm的Al-10Si-2Cr合金粉末,用冷喷涂设备在在Ti-47Al-2Cr-2Nb基体合金上沉积涂层,操作温度300℃,操作压力1.8MPa;随后在700℃热处理12h,随炉冷却,制备出Ti(Al,Si)3涂层,并且涂层中含有大约2at%Cr。实验结果表明,该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为:涂层在900℃下循环氧化300次后增重小于3.0mg/cm2。
实施例6
将粒度为5~30μm的Al-20Si-8Nb合金粉末,用冷喷涂设备在在Ti-22Al-26Nb基体合金上沉积涂层,操作温度350℃,操作压力1.8MPa;随后在650℃热处理10h,随炉冷却,制备出Ti(Al,Si)3涂层,并且涂层中含有大约8at%Nb,涂层厚度80μm。实验结果表明,该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为:涂层在900℃下等温氧化200h后增重小于1.5mg/cm2。
Claims (5)
1.一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层,其特征在于:涂层成分为Ti(Al,Si)3,Si在涂层中均匀分布,涂层厚度在20μm以上。
2.按照权利要求1所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层,其特征在于:涂层与基体完全呈现冶金结合。
3.按照权利要求1所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层,其特征在于:涂层中还包含微量第三组元Cr或Nb,第三组元所占比列为0~8at%。
4.一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法,其特征在于:涂层选用Al-Si合金粉末,用冷气动力喷涂设备,其操作条件为温度100~600℃,压力0.3~3.0MPa,直接喷涂到钛合金基体上形成Al-Si共渗涂层。
5.按照权利要求4所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法,其特征在于:喷涂后的涂层在100~800℃热扩散处理2~20h,随炉冷却后,生成Ti(Al,Si)3的金属间化合物。
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