CN110144541B - 一种高温钛合金热障涂层材料及其制备方法 - Google Patents

一种高温钛合金热障涂层材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高温钛合金热障涂层材料，涉及表面涂层技术领域，包括钛合金基体、粘结层和面层，其中，粘结层设于钛合金基体上，面层设于粘结层上；钛合金基体为IMI834合金，粘结层的化学成分为Ti48Al2Cr2Nb；面层的化学成分为8YSZ。本发明还公开了高温钛合金热障涂层材料的制备方法为：首先通过超音速火焰喷涂工艺将Ti48Al2Cr2Nb粉末喷涂到钛合金基体上，制备出粘结层；然后再通过超音速火焰或大气等离子体喷涂工艺将8YSZ粉末喷涂到粘结层上，制备出面层；最后对涂层样品进行高温热处理。本发明制备的高温钛合金热障涂层材料在航空航天领域高温热端部件的应用具有重大经济和社会价值。

Description

一种高温钛合金热障涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域，尤其涉及一种高温钛合金热障涂层材料，还涉及该高温钛合金热障涂层材料的制备方法。
背景技术
高温钛合金具有轻质高强度等优点，其在航空航天发动机上具有重要应用前景。近年来，随着航天航空工业的快速发展，需要具有更快的飞行速度和更长的飞行距离的新一代高性能飞行器，这对结构材料的轻量化以及耐高温性能提出了更高的要求。高温钛合金的使用温度从最初的400℃到现在600℃，和可供在600～700℃之间使用的短时高温钛合金，但是随着温度的上升，钛合金的高温蠕变和高温抗氧化性能会显著下降，这已经成为制约钛合金向更高温度应用发展的瓶颈。表面涂层技术在钛合金基体上的应用可以将涂层与基体的不同优良特性相结合，提升体系的整体性能。大量研究结果显示，钛合金表面涂层在实验室条件下提升了基体表面的抗氧化能力和近表面稳定性。然而，高温暴露下涂层后的钛合金力学性能仍然会由于脆性相的析出而受到影响。对表面和近表面区域的防护还不能足够可靠地拓展钛合金的高温应用领域，现有涂层材料仍然无法满足钛合金在高温服役环境下的性能需求。
Ti-Al金属间化合物由于具有低密度、高强度以及良好的高温抗蠕变性，被视为潜在的轻型结构材料。但是，它在700℃以上较差的抗氧化性能限制了其进一步的高温应用。研究发现，在Ti-Al合金中添加一定量的Cr或者Ag元素后可以提高其抗氧化性。有研究者通过悬浮感应氩弧熔炼技术可以制备出Ti(47-50％)-Al-Ag(0-5a％)涂层，研究结果显示，Ag的加入有利于Al2O3保护膜的形成。高温氧化实验后，样品显示出良好的抗高温腐蚀性能，但高的Ag含量会导致Ag层的局部析出。TiAlCr系涂层能较迅速地形成连续的Al2O3膜，有效提高合金的抗氧化能力，同时也能更好地兼顾涂层/基体的相容性。有研究者在Ti-45Al-8Nb合金上磁控溅射Ti-Al-Cr涂层，研究发现，涂层在750℃时具有3000h的抗氧化性能，在900℃时抗热震性能高达1000次/h，950℃时可达350次/h。然而，据报道，Ti-Al-Cr虽然抗氧化性能较好，但Cr的加入有可能脆化γ-Ti-Al，导致涂层高温力学性能较差。目前为止，仍然没有一种大幅提升钛合金服役温度的表面涂层体系得到实际应用的公开报道。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种兼具抗氧化和抗高温的涂层体系，以提高钛合金的服役温度，增强其长期服役的可靠性。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种界面结合良好，综合性能优异的高温钛合金热障涂层材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种高温钛合金热障涂层材料，包括钛合金基体、粘结层和面层，其中，所述粘结层设于所述钛合金基体上，所述面层设于所述粘结层上；所述钛合金基体为IMI834合金，所述粘结层的化学成分为Ti48Al2Cr2Nb，所述面层的化学成分为8YSZ。
进一步地，所述粘结层厚度在20～150μm之间，所述面层厚度在50～200μm之间。
本发明还提供了一种高温钛合金热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将所述钛合金基体切割成片状样品，然后利用砂纸将所述片状样品的待涂层面进行打磨，直至所述片状样品的表面光洁；
步骤2、通过超音速火焰喷涂工艺，将钛铝合金粉末均匀沉积在所述钛合金基体表面作为所述粘结层；
步骤3、通过超音速火焰或者大气等离子体喷涂工艺，将8YSZ粉末均匀沉积在所述粘结层表面作为所述面层；
步骤4、将涂层样品放入真空炉中进行真空热处理，得到所述高温钛合金热障涂层材料。
进一步地，步骤1中所述钛合金基体为所述IMI834合金。
进一步地，步骤2中所述钛铝合金粉末的化学成分为所述Ti48Al2Cr2Nb，表面形貌为球形，粉末粒度在5～45μm之间。
进一步地，步骤3中所述8YSZ粉末为球形粉，粉末粒度在10～45μm之间。
进一步地，步骤2和步骤3中所述超音速火焰喷涂工艺中具体工艺参数如下：以航空煤油作为喷涂燃料，氧气作为助燃气，氩气作为送载气，其中喷涂距离在100～400mm之间，送粉速率在2～15g/min之间，所述氧气的流速在300～1000L/min之间，所述氩气的流速在5～20L/min之间。
进一步地，步骤3中所述大气等离子体喷涂工艺中具体工艺参数如下：氩气流量在10～100L/min之间，氢气流量在5-80L/min之间，喷涂功率在10-60kW之间，喷涂距离在50-300mm之间，送粉速率在5-60g/min之间。
进一步地，步骤4中所述真空热处理的具体工艺参数如下：加热速度在5-20℃/min之间，热处理温度在800-1200℃之间，保温时间在0.5-4h之间。
进一步地，步骤1中所述片状样品的尺寸为60×60×5mm。
本发明有效地选用耐高温性能好，且性能介于钛合金基体与陶瓷涂层之间的Ti48Al2Cr2Nb合金为粘结层材料，提升了涂层抗高温及抗氧化性能，同时粘结层与基体和面层的界面结合良好，无明显裂纹或孔隙出现，从而克服传统粘结层材料高温性能低，与钛合金基体和陶瓷涂层之间结合较差的难题，对钛合金高温热障涂层材料的制备及其在航空航天领域高温热端部件的应用具有重大经济和社会价值。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的高温钛合金热障涂层材料横截面扫描电镜图；
图2是本发明的另一个较佳实施例的高温钛合金热障涂层材料横截面扫描电镜图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
高温钛合金热障涂层材料的制备方法如下：
步骤1、将钛合金基体切割成60×60×5mm尺寸的片状样品，然后利用砂纸将片状样品的待涂层面进行打磨，直至片状样品的表面光洁；
步骤2、利用超音速火焰喷涂工艺，将Ti48Al2Cr2Nb粉末均匀沉积在钛合金基体表面，作为粘结层，之后将8YSZ粉末均匀沉积在粘结层表面，作为面层，即隔热层，其具体工艺条件如下：喷涂燃料选用航空煤油，氧气作为助燃气，氩气作为送载气，喷涂距离为300mm，送粉速率为10g/min，氧气流速为850L/min，氩气流速为7L/min。
步骤3、将涂层样品放入真空炉中进行真空热处理，热处理温度为1000℃，保温时间为2h。
如图1所示，扫描电镜分析结果显示，粘结层与钛合金基体，以及粘结层与隔热层之间界面结合良好，粘结层厚度为200μm左右，隔热层厚度为120μm左右。将热处理后涂层样品以50℃/s的升温速率升温至800℃-1000℃区间内，保温2min后充氮气冷却至室温，以相同条件重复10次后，涂层无明显脱落、开裂、穿孔等现象。
实施例2
高温钛合金热障涂层材料的制备方法如下：
步骤1、将钛合金基体切割成60×60×5mm尺寸的片状样品，然后利用砂纸将片状样品的待涂层面进行打磨，直至样品表面光洁；
步骤2、利用超音速火焰喷涂工艺，将Ti48Al2Cr2Nb粉末均匀沉积在钛合金基体表面，作为粘结层，其具体工艺条件如下：喷涂燃料选用航空煤油，氧气作为助燃气，氩气作为送载气，喷涂距离为400mm，送粉速率为5g/min，氧气流速为600L/min，氩气流速为15L/min。
步骤3、利用大气等离子体喷涂工艺，将8YSZ粉末均匀沉积在粘结层表面，作为面层，即隔热层，其具体工艺条件如下：氩气流量为35L/min，氢气流量为10L/min，喷涂功率为45kW，喷涂距离为150mm，送粉速率为23g/min。
步骤4、将涂层样品放入真空炉中进行真空热处理，热处理温度为1200℃，保温时间为1h。
如图2所示，扫描电镜分析结果显示，粘结层与钛合金基体，以及粘结层与隔热层之间界面结合良好，粘结层厚度为20μm左右，隔热层厚度为100μm左右。将涂层样品置于静态氧化试验台架上，升温至1000℃，保温2h后冷却至室温，取出涂层样品检查氧化情况，无明显脱落、开裂、穿孔等现象。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高温钛合金热障涂层材料，其特征在于，包括钛合金基体、粘结层和面层，其中，所述粘结层设于所述钛合金基体上，所述面层设于所述粘结层上；所述钛合金基体为IMI834合金，所述粘结层的化学成分为Ti48Al2Cr2Nb，所述面层的化学成分为8YSZ。
2.如权利要求1所述的高温钛合金热障涂层材料，其特征在于，所述粘结层厚度在20～150μm之间，所述面层厚度在50～200μm之间。
3.如权利要求1所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将所述钛合金基体切割成片状样品，然后利用砂纸将所述片状样品的待涂层面进行打磨，直至所述片状样品的表面光洁；
步骤2、通过超音速火焰喷涂工艺，将钛铝合金粉末均匀沉积在所述钛合金基体表面作为所述粘结层；
步骤3、通过超音速火焰或者大气等离子体喷涂工艺，将8YSZ粉末均匀沉积在所述粘结层表面作为所述面层；
步骤4、将涂层样品放入真空炉中进行真空热处理，得到所述高温钛合金热障涂层材料。
4.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述钛合金基体为所述IMI834合金。
5.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤2中所述钛铝合金粉末的化学成分为所述Ti48Al2Cr2Nb，表面形貌为球形，粉末粒度在5～45μm之间。
6.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述8YSZ粉末为球形粉，粉末粒度在10～45μm之间。
7.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3中所述超音速火焰喷涂工艺中具体工艺参数如下：以航空煤油作为喷涂燃料，氧气作为助燃气，氩气作为送载气，其中喷涂距离在100～400mm之间，送粉速率在2～15g/min之间，所述氧气的流速在300～1000L/min之间，所述氩气的流速在5～20L/min之间。
8.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤3中所述大气等离子体喷涂工艺中具体工艺参数如下：氩气流量在10～100L/min之间，氢气流量在5-80L/min之间，喷涂功率在10-60kW之间，喷涂距离在50-300mm之间，送粉速率在5-60g/min之间。
9.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤4中所述真空热处理的具体工艺参数如下：加热速度在5-20℃/min之间，热处理温度在800-1200℃之间，保温时间在0.5-4h之间。
10.如权利要求3所述的高温钛合金热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤1中所述片状样品的尺寸为60×60×5mm。
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