CN111270191A - 一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，此方法采用高能等离子体熔射技术在钛合金表面制备镍基合金底层和陶瓷面层获得高结合、对基体表面组织无影响的热阻挡功能层。本发明通过合理的熔射工艺参数，严格控制工艺流程，使涂层的孔隙率控制在合理范围内综合力学性能得到有效提升。沉积的热阻挡功能层在保证有效约束钛合金基体蠕变变形的同时还可有效提高钛合金抗高温氧化、隔热性能，从而大幅度延长了钛合金部件的使用寿命。

Description

一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法
技术领域
本发明属于金属表面改性领域，具体涉及一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法。
背景技术
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属材料，具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好和高低温性能优异的特点。作为非常具有发展前途的新型结构材料，钛合金在航空航天、船舶制造、生物医疗、体育器械、化工能源等领域被广泛应用，已成为新技术、新工艺、新设备不可缺少的重要金属材料。一些钛合金工件长期处于高温工况中服役，同时承受着复杂的交变机械载荷，会导致结构产生蠕变变形，直至零件失效。
为了提升高温钛合金的抗蠕变性能，常用的方法有合金化、热处理、表面改性等。过度合金化会导致钛合金长时间服役后脆性相析出机率增大，组织不稳定性增加。常规的热处理方法对合金抗蠕变性能提升效果有限。表面改性中微弧氧化、激光熔覆等表面处理可以在钛合金表面形成低热导的陶瓷涂层从而提高钛合金的使用温度，但两种方法均会对钛合金基体表面组织结构产生影响，进而影响其疲劳性能与高温蠕变性能，因此采用新型表面技术在钛合金表面形成高结合特性、且对基体表面组织无影响的热阻挡功能层对拓展钛合金服役温度意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，此方法制备的热阻挡功能层致密性好、结合强度高，能够有效提高钛合金零部件的服役温度，增强部件的抗高温蠕变能力，延长部件的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种提升钛合金高温蠕变性能的方法，对钛合金基体进行预热，预热温度控制在80～100℃范围内，然后采用高能等离子体熔射技术将镍基金属粉末涂覆在预热的钛基材表面作为底层，随后将陶瓷粉末在底层表面采用高能等离子体熔射技术制备陶瓷面层，底层与面层形成具有隔热、抗氧化作用的热阻挡功能层。
本发明进一步的改进在于，对钛合金基体进行预热前，对钛合金基体进行预处理，具体过程为：清洗后烘干，然后采用白刚玉进行粗化处理至粗糙度不低于10μm。
本发明进一步的改进在于，粗化处理的工艺参数为：气体压力0.6～0.7MPa，距离8～10cm，角度45～70°；
本发明进一步的改进在于，钛合金基体为α型钛合金、β型钛合金或α+β型钛合金。
本发明进一步的改进在于，采用高能等离子体束对钛合金基体进行预热，工艺参数为：电流300～500A、电压100～150V、氩气流量50～80L/min、送粉率30～55g/min、熔射距离90～120mm。
本发明进一步的改进在于，陶瓷面层沉积过程中采用压缩空气冷却基体，温度控制在150℃以下。
本发明进一步的改进在于，镍基金属包括镍铬铝钇、镍铬铝钇硅、镍铬铝钇铪硅或镍钴铬铝钇。
本发明进一步的改进在于，陶瓷包括含氧化钇稳定氧化锆(YSZ)或氧化钪氧化钇复合稳定氧化锆(Sc2O3-Y2O3-ZrO2)。
本发明进一步的改进在于，热阻挡功能层孔隙率控制在3～15％范围内。
本发明进一步的改进在于，热阻挡功能层总厚度控制在250～2000μm范围内。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用高能等离子体熔射技术，将镍基金属材料、陶瓷材料送入至高能等离子体束的中心高温区，将上述材料迅速熔化并雾化成大量细小液滴，具有高动能的液滴在喷射到基体表面后凝固、累加堆垛形成热阻挡功能层，保证了与基体的紧密结合。本发明基于“采用新型表面技术在钛合金表面制备出高结合特性、且对基体表面组织无影响的热阻挡功能层”的基本思路，利用陶瓷涂层的优异的隔热、抗氧化性有效抑制了合金基体在高温下的温度上升趋势，这是提高合金高温抗蠕变性能的关键。本发明引入镍基合金涂层作为陶瓷层与基体的中间层，其不仅可以加强面层与基体机械铆合作用，提升涂层结合强度，而且可以与渗入涂层的氧元素反应生成Al2O3等氧化物，防止基体金属进一步被氧化，克服了现有技术中高温条件下氧元素沿陶瓷材料涂层的孔隙、裂纹等缺陷扩散到基体表面发生氧化，导致基体表面组织发生改变并且降低陶瓷层结合力的问题。此外，镍基合金还可以缓解涂层-基体界面的热失配应力。
附图说明
图1是本发明的热阻挡功能层制备的工艺流程。
图2是本发明制备的热阻挡功能层截面形貌。
图3是蠕变曲线对比图。其中(a)为实验温度400℃，(b)为实验温度600℃。无涂层参比试样表面不接受任何处理，带涂层试样表面制备热阻挡功能层。
图4是两种温度下不同试样类型的蠕变极限对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明，其仅在于解释而不是限定。
如图1和图2所示，本发明的热阻挡功能层采用NiCrAlY和YSZ粉末为原材料，在金属基材(包括钛合金)上熔射得到。
参见图1，本发明一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，包括如下步骤：
1)熔射前对基材表面进行预处理。
2)对预处理后的基材进行预热处理。
3)首先采用高能等离子体熔射技术将镍基金属粉末涂覆在预热的钛基材表面作为底层，然后采用高能等离子体熔射技术将陶瓷粉末熔射在底层上，作为面层，底层与面层组成具有隔热抗氧化的热阻挡功能层。
所述的步骤1)的具体过程为：基材经除油去污和打磨除去氧化层后用丙酮溶液超声波清洗，然后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#30)进行粗化处理，工艺参数为：气体压力0.6～0.7MPa，距离8～10cm，角度45～70°，粗糙度(Ra)不低于10μm。
所述的步骤1)中基材为钛合金，包括α型钛合金、β型钛合金(TB系列)及α+β型钛合金(TC系列)。
所述的步骤2)的具体过程为：采用高能离子束预热的方式进行预热，高能等离子束的具体工艺参数为：电流300～350A、电压100～150V、氩气流量40～60L/min；预热温度控制在80～100℃范围内。
所述的步骤3)中镍基金属为镍铬铝钇、镍铬铝钇硅、镍铬铝钇铪硅或镍钴铬铝钇。
所述的步骤3)中陶瓷成分包括含氧化钇稳定氧化锆(YSZ)或氧化钪氧化钇复合稳定氧化锆。
所述的步骤3)中高能等离子体熔射技术是在传统等离子体发生器内部通过引入加长的的二级喷嘴(加长10～15％)、气体旋流环以及缩小气室的直径和长度(缩小5～10％)等方式将一级喷嘴产生的高能等离子束进一步压缩，从而获得稳定、高能量密度(是普通等离子体束的4倍以上)的等离子体束。高能等离子体束可以将材料迅速熔化，并拖拽、剪切使熔化后材料雾化成大量直径仅为2～10μm的细小液滴。液滴在喷射到基体表面后凝固、累加堆垛形成热阻挡功能层。
所述的步骤3)中高能等离子体熔射技术的工艺参数均是：电流300～500A、电压100～150V、氩气流量50～80L/min、送粉率30～55g/min、熔射距离90～120mm。
所述的步骤3)中熔射陶瓷粉末过程中采用强制压缩空气冷却基体，基材温度控制在150℃以下，以在保证涂层均匀、高效沉积前提下对钛合金表面组织结构不产生影响。
所述的步骤3)中热阻挡功能层孔隙率控制在3～15％范围内，热阻挡功能层厚度控制在250～2000μm范围内，其中：底层的厚度为50～100μm，面层的厚度为200～1900μm。
以下结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。
本发明采用底层与面层相结合的形式提高钛合金的高效隔热抗氧化作用，达到增强高温蠕变性能的目的。制备的热阻挡功能层不改变钛合金基体表面成分与组织结构。
实施例1
本实施例以TA32钛合金为基材，为α型钛合金，尺寸为Φ10×185mm，成分质量百分数为：5.5％的Al、3.5％的Sn、3.0％的Zr、0.7％的Mo、0.3％的Si、0.4％的Nb、0.4％的Ta、其余为Ti。涂层为底层和面层组合成的热阻挡功能层，底层材料为镍铬铝钇(NiCrAlY)，面层材料为YSZ。
所述的底层的厚度为80μm，面层的厚度为300μm。
采用高能等离子体熔射技术制备TA32钛合金高温蠕变试样表面热阻挡功能层的具体实施步骤为：
1)基体表面预处理
对作为基材的TA32钛合金表面经除油去污和打磨除锈后用丙酮溶液超声波清洗，然后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#30)进行粗糙化处理。工艺参数为：气体压力0.7MPa，距离100mm，角度70°，粗糙度(Ra)值达到10.6μm。
2)对处理后的基材采用高能等离子体预热，具体工艺参数包括：电流350A、电压150V、氩气流量60L/min；预热温度控制在约90℃。
3)在预热的基材表面采用高能等离子体熔射技术涂覆NiCrAlY金属粉末，作为底层，然后在底层表面熔射YSZ陶瓷面层。具体工艺参数为：电流420A、电压130V、氩气流量80L/min、送粉率35g/min、熔射距离100mm。面层制备过程中采用强制压缩空气控制基材温度保持在150℃以下，以在保证涂层均匀、高效沉积前提下对钛合金表面组织结构不产生影响。
参见图3，带涂层的试样，即本发明制备的试样在400℃以及600℃下的蠕变性能优于无涂层参比试样的性能。
参见图4，带涂层的试样，即本发明制备的试样在400℃以及600℃下的蠕变极限高于无涂层参比试样的性能。
实施例2
1)基体表面预处理
对作为基材的β型钛合金表面经除油去污和打磨除锈后用丙酮溶液超声波清洗，然后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#30)进行粗糙化处理。工艺参数为：气体压力0.6MPa，距离80mm，角度45°，粗糙度(Ra)值达到10.5μm。
2)对处理后的基材采用高能等离子体预热，具体工艺参数为：电流300A、电压150V、氩气流量50L/min；预热温度控制在约90℃。
3)在预热的基材表面采用高能等离子体熔射技术涂覆NiCrAlY金属粉末，形成底层，然后将陶瓷粉末YSZ采用高能等离子体熔射技术熔射在底层上，形成陶瓷面层，底层的厚度为50μm，面层的厚度为1000μm。具体工艺参数为：电流300A、电压120V、氩气流量80L/min、送粉率30g/min、熔射距离120mm。面层制备过程中采用强制压缩空气控制基材温度保持在150℃以下，以在保证涂层均匀、高效沉积前提下对钛合金表面组织结构不产生影响。
实施例3
1)基体表面预处理
对作为基材的α型钛合金表面经除油去污和打磨除锈后用丙酮溶液超声波清洗，然后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#30)进行粗糙化处理。工艺参数为：气体压力0.7MPa，距离9cm，角度60°，粗糙度(Ra)值达到11μm。
2)对处理后的基材采用高能等离子体预热，具体工艺参数为：电流320A、电压120V、氩气流量40L/min；预热温度控制在约80℃。
3)在预热的基材表面采用高能等离子体熔射技术涂覆NiCrAlY金属粉末，形成底层，然后将陶瓷粉末YSZ采用高能等离子体熔射技术熔射在底层上，形成陶瓷面层，底层的厚度为100μm，面层的厚度为200μm。具体工艺参数为：电流500A、电压100V、氩气流量50L/min、送粉率55g/min、熔射距离90mm。面层制备过程中采用强制压缩空气控制基材温度保持在150℃以下，以在保证涂层均匀、高效沉积前提下对钛合金表面组织结构不产生影响。
实施例4
1)基体表面预处理
对作为基材的α+β型钛合金表面经除油去污和打磨除锈后用丙酮溶液超声波清洗，然后放入烘干箱烘干，最后用白刚玉(#30)进行粗糙化处理。工艺参数为：气体压力0.6MPa，距离100mm，角度70°，粗糙度(Ra)值达到12μm。
2)对处理后的基材采用高能等离子体预热，具体工艺参数为：电流350A、电压100V、氩气流量60L/min；预热温度控制在约100℃。
3)在预热的基材表面采用高能等离子体熔射技术涂覆NiCrAlY金属粉末，形成底层，然后将陶瓷粉末YSZ采用高能等离子体熔射技术熔射在底层上，形成陶瓷面层，底层的厚度为70μm，面层的厚度为1900μm。具体工艺参数为：电流350A、电压150V、氩气流量70L/min、送粉率40g/min、熔射距离100mm。面层制备过程中采用强制压缩空气控制基材温度保持在150℃以下，以在保证涂层均匀、高效沉积前提下对钛合金表面组织结构不产生影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，大凡依本发明专利申请范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：对钛合金基体进行预热，预热温度控制在80～100℃范围内，然后采用高能等离子体熔射技术将镍基金属粉末涂覆在预热的钛基材表面作为底层，随后将陶瓷粉末在底层表面采用高能等离子体熔射技术制备陶瓷面层，底层与面层形成具有隔热、抗氧化作用的热阻挡功能层。
2.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：对钛合金基体进行预热前，对钛合金基体进行预处理，具体过程为：清洗后烘干，然后采用白刚玉进行粗化处理至粗糙度不低于10μm。
3.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：粗化处理的工艺参数为：气体压力0.6～0.7MPa，距离8～10cm，角度45～70°。
4.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：钛合金基体为α型钛合金、β型钛合金或α+β型钛合金。
5.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：采用高能等离子体束对钛合金基体进行预热，工艺参数为：电流300～500A、电压100～150V、氩气流量50～80L/min、送粉率30～55g/min、熔射距离90～120mm。
6.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：陶瓷面层沉积过程中采用压缩空气冷却基体，温度控制在150℃以下。
7.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：镍基金属包括镍铬铝钇、镍铬铝钇硅、镍铬铝钇铪硅或镍钴铬铝钇。
8.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：陶瓷包括含氧化钇稳定氧化锆或氧化钪氧化钇复合稳定氧化锆。
9.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：热阻挡功能层孔隙率控制在3～15％范围内。
10.根据权利要求1所述的一种提升钛合金基体高温蠕变性能的方法，其特征在于：热阻挡功能层总厚度控制在250～2000μm范围内。
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