CN108866502A - 一种钛合金表面抗高温氧化涂层及其制备方法 - Google Patents

一种钛合金表面抗高温氧化涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种钛合金表面抗高温氧化涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域，可解决钛合金与铱之间膨胀系数不匹配问题。所述的抗高温氧化复合渗镀层，包括镍过渡层和外层抗高温氧化铱层，其中，镍过渡层的特征是，Ni在基体钛合金中的成分分布是由表及里浓度逐渐降低，在铱层中由内向外浓度递减梯度分布。该方法通过以下技术方案实现：使用等离子体表面冶金技术，先以纯镍作为源极，在钛合金表面制备渗镀镍层；再以铱靶作为源极制备镍‑铱复合渗镀层。本发明制备的涂层与基体结合强度高，能够有效提高钛合金的抗高温氧化性能，制备工艺简单，绿色环保。

Description

一种钛合金表面抗高温氧化涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金表面抗高温氧化涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域。
背景技术
钛合金因比强度高、耐蚀性能优，以及良好的高温性能和热稳定性而广泛应用于航空、航天、火箭、导弹、舰艇、汽车等领域。随着工业的发展、绿色节能要求的提高，提高材料的工作温度是一种较为重要的方法。为了拓展钛合金的使用温度范围，增强其抗高温氧化能力就更显重要。
目前，改善钛合金的抗高温氧化能力的方法主要有三种：(1)在冶炼中添加大量合金元素Nb、Mo、W、Si、Al等，然而在改善抗氧化能力的同时也会显著改变材料的力学性能，总是要求达到抗氧化能力和力学性能的最佳平衡，问题是合金元素之间的相互作用通常无法预测或者甚至是完全未知的。因此，为了能够选择一种合适的合金来满足特定的应用，必须进行广泛、大量和长时间的实验。(2)通过预氧化可以一定程度提高钛合金抗氧化能力，在零件暴露于使用条件之前预先形成防护性的Al2O3氧化皮，一般优于没处理的基体。但是，热暴露时间延长，预氧化合金会发生剧烈氧化。(3) 抗高温氧化涂层技术可以阻挡氧与基体接触，可以获得抗氧化性能的同时不破坏佳力学性能。因此，抗高温氧化涂层技术是改善钛合金抗高温氧化性的一条有效途径。
抗高温氧化涂层选用的材料有几十种，但能够实际使用的不多，主要存在以下两方面问题：(1)涂层的黏附性。涂层的黏附性是其有效性的前提。在高温下热暴露过程中，基体与涂层之间不同的热膨胀系数，涂层中未松弛的残余应力，在基体与涂层界面处形成脆性的金属间化合物相都会影响涂层的黏附性。(2)涂层的长期稳定性。基体与涂层间的互扩散会消耗涂层中的氧化皮形成元素，然后会促进形成快速生长的TiO2，也会导致形成Kirkendall孔洞，从而降低涂层的氧化皮上的附着力，此外涂层中裂纹的形成也会导致在裂纹中形成TiO2。陶瓷涂层与基体之间的热膨胀系数差别很大，该类涂层在热循环条件特别容易形成裂纹。
铱具有极高的熔点（2454℃）、优异的化学稳定性、高的弹性模量，使铱制品可应用在2100~2200℃的高温环境。铱抗高温氧化性强、在高温条件下氧渗透率低，可以在高温氧化环境下有效的保护基体，被认为是理想的抗高温氧化涂层材料。目前制备铱涂层的方法主要有物理气象沉积（PVD）、化学气象沉积（CVD）、激光脉冲沉积（PLD）等。
由于铱与钛合金之间膨胀系数不匹配（在高温条件下，铱的热膨胀系数约为1.3×10-7，而TC4基体约为8.6×10-6 /K），无论采用何种方法，直接在钛合金表面进行渗铱会出现大量的裂纹，甚至导致膜层直接脱落，难以提供对氧良好的屏障作用，使渗铱层失去其所具有的防护功能，造成钛合金基体发生严重的氧化，降低使用寿命。
Ni能够和Ir无限互溶，将Ni作为过渡层并形成梯度分布，能够减轻甚至消除由于钛合金与铱之间膨胀系数不匹配引起的裂纹或脱落失效。
发明内容
本发明提供了一种钛合金表面抗高温氧化涂层及其制备方法，使用等离子表面冶金技术，先以镍靶作为源极，在工件表面制备渗镍过渡层，以解决钛合金与铱之间膨胀系数不匹配问题，提高铱涂层与基体的结合强度。再以铱靶作为源极在渗镍过渡层上制备铱渗镀层，从而形成与基体呈冶金结合的抗高温氧化的Ni-Ir复合渗镀涂层。
一种钛合金表面抗高温氧化涂层，包括过渡层和外层抗高温氧化层，所述过渡层为渗镍层，所述外层抗高温氧化层为具有抗高温氧化性的铱层，渗镍层包括基体钛合金上的渗镍层和在铱层中的渗镍层，镍在基体钛合金中的成分分布是由表及里浓度逐渐降低，在铱层中由内向外浓度成梯度递减分布。
一种钛合金表面抗高温氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：
第一步，钛合金工件表面预处理
用砂纸打磨并抛光钛合金工件的表面，再分别用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声波清洗仪器中对钛合金进行超声清洗并干燥；
第二步，制备渗镍过渡层
钛合金工件置于阴极托盘中央，纯度为99.9 %以上的镍作为源极放置于钛合金工件正上方，采用钼棒悬挂，镍与钛合金两者间距为18~20mm，构成工件-源极一体结构；采用一台高压直流电源作为电源，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），通过送气系统充入氩气使真空容器内气压升至工作气压40~45 Pa；直流电源系统施加电压-600~-700V于钛合金工件和源极上，产生空心阴极辉光放电，从而加热钛合金工件和源极；钛合金工件升温至900 ℃，保温0.5 h；被溅射出的镍离子、原子及粒子团迁移、吸附并扩散进入到钛合金工件表面内；保温结束后缓冷到25℃，获得以扩散层为主的镍渗镀层；
第三步，钛合金表面渗铱处理
将表面具有镍渗镀层的钛合金工件置于阴极托盘中央，上方悬有保温罩，纯铱作为源极放置在保温罩顶端，两者间距为15~20mm，构成工件-源极一体结构；采用高压直流电源作为直流电源系统，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），充入氩气使真空容器内气压升至30~70Pa；直流电源系统施加电压-700~-750V于表面具有镍渗镀层的钛合金和源极上，产生空心阴极辉光放电；工作温度850℃~950℃，保温1-3 h；被溅射出的铱离子、原子及粒子团迁移吸附并沉积在具有镍渗镀层的钛合金工件表面，在化学势的作用下镍铱互扩散形成镍铱互扩散层；保温结束后缓冷到25℃，最终获得表面具有抗高温氧化涂层的钛合金工件。
本发明的有益效果如下：
针对钛合金与铱的特点，设计镍作为过渡层，形成有效的镍铱复合合金层，避免由于钛合金与铱之间膨胀系数差异导致的合金层脱落情况，使钛合金与铱合金层之间结合良好，从而有效提高钛合金的抗高温氧化性能。与现有的钛合金表面抗高温氧化腐蚀涂层制备方法相比，只需一台直流电源，对设备的要求较低，操作简单，同时没有污染物的排放，对环境友好。与钛合金整体合金化技术相比，具有处理过程简单、工艺可操作性强、成本低、操作者工作环境好、无毒、无害、无污染、节能环保的优点。所制备的钛合金镍铱复合合金涂层具有优异的抗高温氧化性能的同时兼具较高的硬度和弹性模量（硬度提高到12.2GPa，弹性模量为208.2Gpa），并具有较好的耐腐蚀性能，适用于航空航天工业和汽车工业。
附图说明
图1为钛合金表面抗高温氧化复合涂层的截面示意图；
图中：1-铱合金涂层；2-镍过渡层；3-钛合金。
图2为钛合金施加抗高温氧化涂层前后氧化失重率图。
具体实施方式
实施例1
第一步，钛合金工件表面预处理
用砂纸打磨并抛光钛合金工件的表面，再分别用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声波清洗仪器中对钛合金进行超声清洗并干燥。
第二步，制备渗镍过渡层
钛合金工件置于阴极托盘中央，纯度为99.9 %的镍作为源极放置于钛合金工件正上方，采用钼棒悬挂，镍与钛合金两者间距为18mm，构成工件-源极一体结构；采用一台高压直流电源作为电源，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），通过送气系统充入氩气使真空容器内气压升至工作气压40 Pa；直流电源系统施加电压-600~-700V于钛合金工件和源极上，产生空心阴极辉光放电，从而加热钛合金工件和源极；钛合金工件升温至900 ℃，保温0.5 h；被溅射出的镍离子、原子及粒子团迁移、吸附并扩散进入到钛合金工件表面内；保温结束后缓冷到25℃，获得以扩散层为主的镍渗镀层。
第三步，钛合金表面渗铱处理
将表面具有镍渗镀层的钛合金工件置于阴极托盘中央，上方悬有保温罩，纯铱作为源极放置在保温罩顶端，两者间距为15mm，构成工件-源极一体结构；采用高压直流电源作为直流电源系统，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），充入氩气使真空容器内气压升至40Pa；直流电源系统施加电压-700~-750V于表面具有镍渗镀层的钛合金和源极上，产生空心阴极辉光放电；工作温度850℃，保温2 h；被溅射出的铱离子、原子及粒子团迁移吸附并沉积在具有镍渗镀层的钛合金工件表面，在化学势的作用下镍铱互扩散形成镍铱互扩散层；保温结束后缓冷到25℃，最终获得表面具有抗高温氧化镍铱复合渗镀层的钛合金工件。
所制备的钛合金镍铱复合合金涂层具有优异的抗高温氧化性能的同时兼具较高的硬度，表面硬度为7.9GPa。
实施例2
第一步，钛合金工件表面预处理
用砂纸打磨并抛光钛合金工件的表面，再分别用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声波清洗仪器中对钛合金进行超声清洗并干燥。
第二步，制备渗镍过渡层
钛合金工件置于阴极托盘中央，纯度为99.9 %的镍作为源极放置于钛合金工件正上方，采用钼棒悬挂，镍与钛合金两者间距为18mm，构成工件-源极一体结构；采用一台高压直流电源作为电源，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），通过送气系统充入氩气使真空容器内气压升至工作气压40 Pa；直流电源系统施加电压-600~-700V于钛合金工件和源极上，产生空心阴极辉光放电，从而加热钛合金工件和源极；钛合金工件升温至900 ℃，保温0.5 h；被溅射出的镍离子、原子及粒子团迁移、吸附并扩散进入到钛合金工件表面内；保温结束后缓冷到25℃，获得以扩散层为主的镍渗镀层。
第三步，钛合金表面渗铱处理
将表面具有镍渗镀层的钛合金工件置于阴极托盘中央，上方悬有保温罩，纯铱作为源极放置在保温罩顶端，两者间距为15mm，构成工件-源极一体结构；采用高压直流电源作为直流电源系统，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），充入氩气使真空容器内气压升至40Pa；直流电源系统施加电压-700~-750V于表面具有镍渗镀层的钛合金和源极上，产生空心阴极辉光放电；工作温度900℃，保温2 h；被溅射出的铱离子、原子及粒子团迁移吸附并沉积在具有镍渗镀层的钛合金工件表面，在化学势的作用下镍铱互扩散形成镍铱互扩散层；保温结束后缓冷到25℃，最终获得表面具有抗高温氧化镍铱复合渗镀层的钛合金工件。
所制备的钛合金镍铱复合合金涂层具有优异的抗高温氧化性能的同时兼具较高的硬度，表面硬度为10.2GPa。
实施例3
第一步，钛合金工件表面预处理
用砂纸打磨并抛光钛合金工件的表面，再分别用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声波清洗仪器中对钛合金进行超声清洗并干燥。
第二步，制备渗镍过渡层
钛合金工件置于阴极托盘中央，纯度为99.9 %的镍作为源极放置于钛合金工件正上方，采用钼棒悬挂，镍与钛合金两者间距为18mm，构成工件-源极一体结构；采用一台高压直流电源作为电源，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），通过送气系统充入氩气使真空容器内气压升至工作气压40 Pa；直流电源系统施加电压-600~-700V于钛合金工件和源极上，产生空心阴极辉光放电，从而加热钛合金工件和源极；钛合金工件升温至900 ℃，保温0.5 h；被溅射出的镍离子、原子及粒子团迁移、吸附并扩散进入到钛合金工件表面内；保温结束后缓冷到25℃，获得以扩散层为主的镍渗镀层。
第三步，钛合金表面渗铱处理
将表面具有镍渗镀层的钛合金工件置于阴极托盘中央，上方悬有保温罩，纯铱作为源极放置在保温罩顶端，两者间距为15mm，构成工件-源极一体结构；采用高压直流电源作为直流电源系统，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后（< 1 Pa），充入氩气使真空容器内气压升至40Pa；直流电源系统施加电压-700~-750V于表面具有镍渗镀层的钛合金和源极上，产生空心阴极辉光放电；工作温度950℃，保温2 h；被溅射出的铱离子、原子及粒子团迁移吸附并沉积在具有镍渗镀层的钛合金工件表面，在化学势的作用下镍铱互扩散形成镍铱互扩散层；保温结束后缓冷到25℃，最终获得表面具有抗高温氧化镍铱复合渗镀层的钛合金工件。
所制备的钛合金镍铱复合合金涂层具有优异的抗高温氧化性能的同时兼具较高的硬度，表面硬度为12.2GPa。

Claims (2)

1.一种钛合金表面抗高温氧化涂层，其特征在于：包括过渡层和外层抗高温氧化层，所述过渡层为渗镍层，所述外层抗高温氧化层为具有抗高温氧化性的铱层，渗镍层包括基体钛合金上的渗镍层和在铱层中的渗镍层，镍在基体钛合金中的成分分布是由表及里浓度逐渐降低，在铱层中由内向外浓度成梯度递减分布。
2.一种如权利要求1所述的钛合金表面抗高温氧化涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，钛合金工件表面预处理
用砂纸打磨并抛光钛合金工件的表面，再分别用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声波清洗仪器中对钛合金进行超声清洗并干燥；
第二步，制备渗镍过渡层
钛合金工件置于阴极托盘中央，纯度为99.9 %以上的镍作为源极放置于钛合金工件正上方，采用钼棒悬挂，镍与钛合金两者间距为18~20mm，构成工件-源极一体结构；采用一台高压直流电源作为电源，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后，通过送气系统充入氩气使真空容器内气压升至工作气压40~45 Pa；直流电源系统施加电压-600~-700V于钛合金工件和源极上，产生空心阴极辉光放电，从而加热钛合金工件和源极；钛合金工件升温至900 ℃，保温0.5 h；被溅射出的镍离子、原子及粒子团迁移、吸附并扩散进入到钛合金工件表面内；保温结束后缓冷到25℃，获得以扩散层为主的镍渗镀层；
第三步，钛合金表面渗铱处理
将表面具有镍渗镀层的钛合金工件置于阴极托盘中央，上方悬有保温罩，纯铱作为源极放置在保温罩顶端，两者间距为15~20mm，构成工件-源极一体结构；采用高压直流电源作为直流电源系统，负极接在阴极托盘上，正极接在接地的真空容器上；通过抽真空系统将真空容器抽真空到极限真空度后，充入氩气使真空容器内气压升至30~70Pa；直流电源系统施加电压-700~-750V于表面具有镍渗镀层的钛合金和源极上，产生空心阴极辉光放电；工作温度850℃~950℃，保温1-3 h；被溅射出的铱离子、原子及粒子团迁移吸附并扩散进入到镍镀层内，形成镍铱合金渗镀层；保温结束后缓冷到25℃，最终获得表面具有抗高温氧化涂层的钛合金工件。
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