CN107313008B - γ-TiAl合金表面AlYMoSi耐高温防护涂层及其制备方法 - Google Patents

γ-TiAl合金表面AlYMoSi耐高温防护涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种γ‑TiAl合金表面AlYMoSi耐高温防护涂层及其制备方法，其步骤为：将Al、Y、Mo、Si粉按（45~50wt%）:（2~5wt%）:（15~20wt%）:（25~30wt%）配料，充分混合后与γ‑TiAl合金一同进行球磨；球磨结束后，将AlYMoSi合金粉末和氯化铵按质量比AlYMoSi:NH4Cl=97:3充分混合后，将所述混合粉末装入置于刚玉坩埚中，并将球磨后的γ‑TiAl合金置于混合粉末的中部，使其埋没于混合粉末中，密封坩埚，于惰性气氛下，高温处理，随炉冷却。该方法效率高、工艺简单、节能环保，采用球磨机械表面合金化和包埋渗镀相结合的方法制备高温防护涂层，且制备的AlYMoSi高温防护涂层结构致密、抗高温氧化性能优良。

Description

γ-TiAl合金表面AlYMoSi耐高温防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车与飞机零件表面防护技术领域，具体涉及一种γ-TiAl合金表面耐高温防护涂层及其制备方法。
背景技术
γ-TiAl合金作为一种耐高温的合金材料，具有低密度、高比强度、高比模量等优点，比镍基超级合金轻，使其成为涡轮增压器，发动机气门和喷气发动机涡轮叶片等耐热结构件极具竞争力的材料。然而，在以往的研究中，发现这种合金材料在温度达到1073K的时候，表面氧化形成的氧化层迅速剥落，其抗氧化性能急速下降，严重制约了该材料在高温领域的实际应用。
从合金的结构上来看，γ-TiAl合金中尽管含有大量的Al2O3，但Al2O3与Ti2O3的生成自由能十分接近，并且Al的活度与其成分存在严重的负偏差，这就导致了在高温时，很难通过形成致密的Al2O3氧化膜来保护构件。而Ti2O3氧化膜具有较为稀疏的表面结构，不能有效的阻止O原子的扩散，这也就导致γ-TiAl合金在高温下抗氧化性能的急剧降低。同时由于高温下，大量的N、O原子的渗入，合金容易发生表层脆化现象，直接导致了合金的热稳定性、蠕变抗力、持久强度和疲劳强度等力学性能大大降低，因此，γ-TiAl合金只能在800℃以下应用，不能满足高温场景的使用要求。
使合金的高温抗氧化温度提高到1000℃以上，同时不破坏合金整体力学性能，最有效快捷的措施就是在合金表面制备一层耐高温的保护涂层。如：中国科学院金属研究所通过冷喷涂Al-20Si合金涂层及后续热扩散处理在γ-TiAl合金表面制备Ti(Al,Si)3扩散涂层，随后在1173K下，对涂层进行连续1000 h等温氧化和120次循环氧化来测试其抗氧化性能。通过技术手段分析发现：该扩散涂层具有良好的抗氧化能力，其氧化增重只有基体合金的四分之一。 但该方法只能将合金的抗氧化温度提升至900℃，无法满足更高温度的要求。（王吉强, 孔令艳, 李铁藩,等. 冷喷涂制备γ-TiAl 表面 Ti(Al,Si)3扩散涂层的高温氧化行为[J]. 中国有色金属学报(英文版), 2016, 26(4):1155-1162.）。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种γ-TiAl合金表面AlYMoSi 高温防护涂层及其制备方法，所述的AlYMoSi合金层结构致密，与基体γ-TiAl合金结合强度高，提高了γ-TiAl合金的抗高温氧化性能。
实现本发明目的的技术解决方案是：
一种表面高温防护涂层，所述的涂层为AlYMoSi合金层，按质量百分比计，由Al 45~50wt%、Y 2~5wt%、Mo 15~20wt%、Si 25~30wt%组成。
进一步的，AlYMoSi厚度为10~50μm。
一种γ-TiAl合金表面高温防护涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）将Al、Y、Mo、Si粉按（45~50wt%）:（2~5wt%）:（15~20wt%）:（25~30wt%）配料，充分混合后与γ-TiAl合金一同进行球磨；
（2）球磨结束后，将AlYMoSi合金粉末和氯化铵按质量比AlYMoSi:NH4Cl=97:3充分混合后，将所述混合粉末装入置于刚玉坩埚中，并将球磨后的γ-TiAl合金置于混合粉末的中部，使其埋没于混合粉末中，密封坩埚，于惰性气氛下，高温处理，随炉冷却。
进一步的，步骤（1）中，球磨机运行参数如下：工作速度为20~50Hz；切换时间 为10~20min；总运行时间 为4~10h；运行方向为双向运行。
进一步的，步骤（2）中，高温处理采用真空管式炉中，管式炉运行参数如下：起始温度为室温；升温速率为20℃/min~45℃/min；目标温度为800℃~900℃；保温时间为120~240min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）球磨过程中产生的缺陷能提供较多的活性中心，在不断球磨过程中金属产生大量的变形，长程有序结构变成了短程有序或无序的非晶结构使得粉末容易进入。
2）球磨对粉体的碎裂及活化作用，使得金属颗粒发生畸变的同时，大量的新鲜原子表面不断暴露在粉末氛围中，增加了基体与粉末的反应结合几率。
3）球磨高速运转所提供的机械能及磨球碰撞过程中产生的瞬时升温为材料提供能量，使得粉末与基体很容易发生交互作用。
4）包埋技术在高温下给粉末提供能量，扩散进入试样表层，形成膜基结合强度高、Al2O3纳米线织构的AlYMoSi高温防护涂层。
5）AlYMoSi涂层中Al、Y和Si元素能够为高温防护涂层提高一定的自修复性能，从而达到延长涂层使用寿命的目的。
6）球磨技术与包埋法巧妙结合通过对球磨机旋转速度，运行时间，真空实验炉的加热温度等工艺参数的调节与控制，在基体γ-TiAl合金表面形成AlYMoSi高温防护涂层。该方法效率高、工艺简单、节能环保，且制备的高温防护涂层结构致密、性能优良。
附图说明
图1为γ-TiAl合金表面AlYMoSi 耐高温涂层表面SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的γ-TiAl合金表面AlYMoSi 高温防护涂层的制备方法如下：
（1）将不锈钢小球连同γ-TiAl合金装入容积为250ml的不锈钢球磨罐中，然后将Al，Y，Mo，Si按如下配比配料：（45~50wt%）:（2~5wt%）:（15~20wt%）:（25~30wt%）充分混合后放入上述球磨罐中，设置好参数后利用球磨机进行球磨。（2）球磨工艺结束后，取出经球磨机械合金化的AlYMoSi合金粉末和表面附着AlYMoSi合金粉末的γ-TiAl合金，将AlYMoSi合金粉末和氯化铵按质量比AlYMoSi:NH4Cl=97:3充分混合后，取50g的混合粉末装入带有盖子的刚玉坩埚中，并将表面附着AlYMoSi合金粉末的γ-TiAl合金放入坩埚中混合粉末的中部，使其埋没于混合粉末中。（3）采用磷酸二氢铝对坩埚进行密封，并留针孔以防爆裂，然后将密封好的坩埚放入真空管式炉内抽真空后通入氩气保护后，在800℃~900℃下保温120~240min后，随炉冷至室温后取出试样，即采用包埋法对机械表面合金化后的γ-TiAl合金表面再进行AlYMoSi合金层渗镀处理。
实施例一：
1）将直径为10mm的不锈钢球装入容积为250ml的不锈钢球磨罐中，然后将Al，Y，Mo，Si粉按24:1:10:15的比例制备50g混合后与基体γ-TiAl合金一起倒入球磨罐中，最后将球磨罐固定在球磨机中。
2）打开电源，调试工艺参数至：
工作速度：25Hz；
切换时间：10min；
总运行时间：6h；
运行方向：单向运行；
定时控制：定时运行
3）待球磨结束后取出γ-TiAl合金试样和AlYMoSi粉末，将取出的γ-TiAl合金试样用AlYMoSi粉末四周紧密覆盖于带有盖子的刚玉坩埚中，密封坩埚盖后，将坩埚放入真空管式炉中，开始抽真空至1×10-5Pa后送入氩气，随后调试工艺参数为：
起始温度：室温；
升温时间：20min；
目标温度：820℃；
保温时间：120min；
4）关闭电源，空置设备3h，使试样自然冷却；
5）破真空，取样。
所制得AlYMoSi 涂层表面形貌如图1，制得的涂层均匀致密，无裂纹、孔洞等缺陷，其总厚度达到50μm。在1200°C下高温氧化实验200h后，涂层依然保持完好、致密，未出现剥落、开裂等现象，其氧化增重值为5.7mg/cm2，较基体γ-TiAl合金的氧化增重值142.3mg/cm2有了明显的下降。
实施例二：
1）将直径为10mm的不锈钢球装入容积为250ml的不锈钢球磨罐中，然后将Al，Y，Mo，Si粉按24:1:10:15的比例制备50g混合后与基体γ-TiAl合金一起倒入球磨罐中，最后将球磨罐固定在球磨机中。
2）打开电源，调试工艺参数至：
工作速度：35Hz；
切换时间：20min；
总运行时间：8h；
运行方向：单向运行；
定时控制：定时运行
3）待球磨结束后取出γ-TiAl合金试样和AlYMoSi粉末，将取出的γ-TiAl合金试样用AlYMoSi粉末四周紧密覆盖于带有盖子的刚玉坩埚中，密封坩埚盖后，将坩埚放入真空管式炉中，开始抽真空至2×10-5Pa后送入氩气，随后调试工艺参数为：
起始温度：室温；
升温时间：40min；
目标温度：960℃；
保温时间：240min；
4）关闭电源，空置设备5h，使试样自然冷却；
5）破真空，取样。
所制得AlYMoSi 涂层均匀致密，无裂纹、孔洞等缺陷，其总厚度达到40μm。在900°C高温氧化实验100h后，涂层依然保持完好、致密，未出现剥落、开裂等现象，其氧化增重值为2.4mg/cm2，较基体γ-TiAl合金的氧化增重值67.7mg/cm2有了明显的下降。
本发明所述的防护涂层采用球磨技术使得混合粉末因磨球的碰撞，挤压而重复地发生变形，断裂，焊合，原子间相互扩散或进行固态反应而形成合金粉末。粉末被摩擦使得新鲜的未反应的表面不断暴露出来再加上粉末细化，大大增加了反应接触面积，缩短了扩散距离极大地减少扩散速率对反应动能的限制，从而提高了固态反应速率，包埋技术受热均匀，成膜效果较好。

Claims (5)

1.γ-TiAl合金表面高温防护涂层，其特征在于，所述的防护涂层为AlYMoSi合金层，按质量百分比计，由Al 45~50wt%、Y 2~5wt%、Mo 15~20wt%、Si 25~30wt%组成，由如下步骤制备：
（1）将Al、Y、Mo、Si粉按比例充分混合后与γ-TiAl合金一同进行球磨；
（2）球磨结束后，将AlYMoSi合金粉末和氯化铵按质量比AlYMoSi:NH4Cl=97:3充分混合后，将所述混合粉末装入置于刚玉坩埚中，并将球磨后的γ-TiAl合金置于混合粉末的中部，使其埋没于混合粉末中，密封坩埚，于惰性气氛下，高温处理，随炉冷却。
2.如权利要求1所述的γ-TiAl合金表面高温防护涂层，其特征在于，AlYMoSi厚度为10~50μm。
3.如权利要求1或2所述的γ-TiAl合金表面高温防护涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将Al、Y、Mo、Si粉按比例充分混合后与γ-TiAl合金一同进行球磨；
（2）球磨结束后，将AlYMoSi合金粉末和氯化铵按质量比AlYMoSi:NH4Cl=97:3充分混合后，将所述混合粉末装入置于刚玉坩埚中，并将球磨后的γ-TiAl合金置于混合粉末的中部，使其埋没于混合粉末中，密封坩埚，于惰性气氛下，高温处理，随炉冷却。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，球磨机运行参数如下：工作速度为20~50Hz；切换时间为10~20min；总运行时间为4~10h；运行方向为双向运行。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，高温处理采用真空管式炉中，管式炉运行参数如下：起始温度为室温；升温速率为20℃/min~45℃/min；目标温度为800℃~900℃；保温时间为120~240min。
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