CN114686794A - 一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法 - Google Patents

一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，属于涂层材料领域。所述的复合涂层由表层至内层依次为纳米YSZ(Y2O3‑ZrO2)陶瓷层、NiCoCrAlYTa粘结层。其制备方法为：先将TiAl合金表面进行预处理；利用超音速火焰喷涂技术在合金表面进行NiCoCrAlYTa粘结层制备；利用大气等离子喷涂技术在粘结层表面制备纳米Y2O3‑ZrO2陶瓷面层。本发明采用超音速火焰喷涂技术和大气等离子技术相结合的方法，简易高效的在TiAl合金表面制备高温性能优异且各界面结合紧密的复合涂层，利于提高TiAl合金高温抗氧化性能。

Description

一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备 方法
技术领域
本发明属于高温合金复合涂层制造领域，具体是使用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂技术相结合，在TiAl合金表面制备一种高温抗氧化复合涂层。
背景技术
TiAl合金作为一种新型的高温结构应用材料，由于其具有高比强度，低密度，优异的耐腐蚀性和稳定的高温力学性能，正逐步取代Ti合金和Ni基高温合金。近年来，TiAl合金已被研究且应用于航天航空和汽车制造等领域，如涡轮叶片、排气阀和涡轮增压器转子等。但是，当工作温度达到750℃以上时，TiAl基合金的抗氧化性能急剧下降，这主要原因是其自由表面上未形成致密的保护性氧化膜，而是形成疏松多孔的非保护性的TiO2和Al2O3混合层。
为了解决这一问题，提高TiAl基合金在高温下的抗氧化性，当前关于这方面的研究主要分为两个方向：1.通过添加合金元素和改善制备工艺来调控合金内部组织，以提高合金高温抗氧化性能；2.通过表面改性技术，以阻止空气侵入基体。然而，添加合金元素的方法往往会导致其他性能发生改变，如室温延性和抗蠕变性能。因此，通过使用合金元素来提高TiAl基合金的抗氧化性并不总是合理的，从而表面改性技术可成为更好的研究方向。
表面改性技术包括表面合金化技术和表面涂层技术，表面合金化技术一般采用热扩散、离子注入、激光表面合金化等方法，该方法对抗氧化性能提升效果较弱，且工业生产难度较大。表面涂层技术是采用表面工程技术手段将不同种类的涂层(Al-X体系、Ti-Al-X体系、MCrAlY体系、陶瓷涂层、复合涂层等)喷涂至基体表面，改善基体的表面性能。目前，表面制备技术手段主要为电化学沉积、磁控溅射、等离子喷涂、激光熔覆、超音速火焰等。但上述方法均存在一些问题，如电化学沉积和磁控溅射工艺复杂，对原材料和基体规格要求较高，难以工业化，等离子喷涂的涂层与基体的结合性能较差，激光熔覆效率低，成本高。因此开发新的喷涂工艺至关重要，同时在抗氧化涂层领域，单一的涂层已满足不了现如今的应用需求，主要集中研究制备新型复合涂层和改性涂层。
在文献“Microstructural characterization of YSZ-CoNiCrAlY two-layeredthermal barrier coating formed onγ-TiAl intermetallic alloy via APS process”中提出，使用大气等离子方法在合金表面制备了YSZ-CoNiCrAlY的复合涂层，显著改善了合金的抗氧化性能；但由大气等离子制备的CoNiCrAlY粘结层存在较多的微裂纹，对涂层性能产生不良影响，这表明MCrAlY体系粘结层的制备并不适合采用大气等离子喷涂方法。
在文献“CeO2 doped Al2O3 composite ceramic coatings fabricated onγ-TiAl alloys via cathodic plasma electrolytic deposition”中，使用电化学沉积在合金表面制备含有CeO2的Al2O3陶瓷涂层，相较于普通的Al2O3陶瓷涂层，CeO2的掺杂提高复合涂层的均匀性和结晶性，但该方法制备的陶瓷涂层厚度较薄，硬度低、耐摩擦和抗氧化性能较差，在实际应用中涂层寿命较短。
魏东博等人在公开专利发明中(公开号为CN 109207939 A)提出，在合金表面制备复合涂层，包括NiCrAlSi粘结层、等离子渗氧陶瓷膜、CeO2掺杂YSZ隔热层。CeO2掺杂YSZ隔热层具有耐高温、耐磨损等优异性能，等离子渗氧陶瓷膜能有效的阻挡氮、氧原子的内扩散，进一步提高该涂层的抗氧化能力，NiCrAlSi粘结层提高了该涂层的结合能力。此复合涂层由三部分组成，制备工艺复杂，且采用的等离子刻蚀技术和多弧等离子镀技术制备成本较高。
因此，开发出能够大规模推广的涂层制备工艺和涂层结构，对于TiAl基合金在高温领域的广泛应用具有重要的意义。
发明内容
本发明目的是针对现有技术制备出的涂层抗氧化性能、结合力较差和工业化生产难度大等问题，将超音速火焰喷涂技术和大气等离子喷涂技术相结合，提供了一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层及其制备方法，从而提高TiAl基合金的高温抗氧化性。
本发明采用如下技术方案:
一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，其特征在于，陶瓷面层为纳米Y2O3-ZrO2热障层，采用超音速火焰喷涂；底层为NiCoCrAlYTa粘结层，采用大气等离子喷涂；复合涂层与基体间形成机械结合，经过高温氧化后，会形成更加牢固的冶金结合。
进一步地，所述陶瓷面层由5wt.％-8wt.％Y2O3与ZrO2纳米团聚粉末(YSZ纳米粉末)喷涂而成，所述团聚粉末的粒径为26～53μm；所述粘结层是由合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂制成，粘结层化学成分为20-25wt.％的Co、20-25wt.％的Cr、6-10wt.％的Al、1-5wt.％的Ta、0.1-1wt.％的Y，余量为Ni，所述合金粉末的粒径为44～74μm。
进一步地，所述复合涂层整体厚度为300-400μm，其中纳米Y2O3-ZrO2陶瓷面层厚度为200-250μm，NiCoCrAlYTa粘结层厚度为100-150μm。
如上所述TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)先将TiAl合金表面进行预处理，后将带有TiAl合金的工装安装至超音速火焰机床中；
(2)使用超音速火焰喷涂技术将所述的合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂至TiAl合金表面，形成粘结层；超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：
氧气流量：1800-1900SCFH；
煤油流量：6-7GPH；
气体流量：20-25SLPM；
送粉量：4-6RPM；
喷枪与工件间距：300-400mm；
机床转速：150r/min；
(3)停止超音速火焰喷涂，完成粘结层的制备，工装冷却至室温后，安装至大气等离子机床中；
(4)使用大气等离子喷涂技术将纳米团聚粉末YSZ喷涂到粘结层表面，形成陶瓷面层；
(5)停止大气等离子喷涂，完成陶瓷面层的制备，冷却至室温，得到高温抗氧化的复合涂层。
进一步地，步骤(1)表面预处理过程中，线切割后进行表面磨平，再使用16～24号刚玉进行喷砂处理，使用口径为10mm的喷枪，0.7GPa的工作压力，喷距为120～150mm，使表面粗糙度达到4～6μm。
进一步地，步骤(2)制备粘结层的过程中，N2为保护气体，气体流量为20-25SLPM。
进一步地，步骤(4)所述大气等离子喷涂技术的工艺参数为：
喷涂电压：30-35V；
喷涂电流：550-600A；
气体流量：50-55SLPM；
送粉量：4-6RPM；
喷枪与工件间距：100-200mm；
机床转速：100r/min。
进一步地，步骤(4)制备陶瓷面层的过程中，以Ar和H2为工作气体，其中Ar的气体流量为38-40SLPM，H2的气体流量为12-15SLPM。
本发明具有如下有益效果：
(1)与传统结构的YSZ陶瓷涂层相比，本发明采用的纳米结构YSZ陶瓷涂层表面更致密，无显著的孔洞和裂纹，有效的起到热障层以及阻隔空气侵入的作用，大幅度提高了TiAl合金的抗氧化性能。
(2)本发明的NiCoCrAlYTa粘结层是采用超音速火焰喷涂技术制备而成，该类涂层普遍采用大气等离子技术喷涂制备，但相对于大气等离子喷涂技术，超音速火焰喷涂可以在较低的工艺温度前提下，就能使粉末颗粒获得很大的动能，从而使粘结层的孔隙率和氧化夹杂含量低，具有良好的粘结性；纳米YSZ陶瓷面层是采用大气等离子喷涂技术制备而成，该喷涂技术是通过放电产生的等离子体将陶瓷粉末加热至熔融状态，达到雾化状态，喷射至基体表面，使其制得的陶瓷涂层致密且厚度可控。
(3)首次采用超音速火焰喷涂技术和大气等离子喷涂技术相结合的方式制备纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层，该种喷涂工艺具有操作简单、效率高、成本低以及大规模生产应用的可行性高，同时制备出的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合结构高温抗氧化涂层性能优良。
附图说明
图1为实施例1所制得的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的表面形貌；
图2为实施例1所制得的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的截面形貌；
图3为实施例1TiAl基体和复合涂层试样在950℃氧化250h的增重曲线。
具体实施方式
为详细描述本发明的技术特点和工艺方案，下面结合具体实施方式做进一步阐述。
实施例1
本实例在TiAl合金表面制备高温抗氧化复合涂层。所述的TiAl合金为Ti-44Al-4Nb-1.5Mo-0.2Y(at.％)。
所诉的陶瓷面层为纳米Y2O3-ZrO2热障层，由8wt.％Y2O3-ZrO2纳米团聚粉末喷涂而成，所述纳米团聚粉末的粒径为26～53μm，厚度为200μm
所诉的底层为NiCoCrAlYTa粘结层，由合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂制成，其化学成分为25wt.％的Co、20wt.％的Cr、6wt.％的Al、2wt.％的Ta、1wt.％的Y，余量为Ni，所述合金粉末的粒径为44～74μm，厚度为100μm。
本实施例制备纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的具体步骤如下：
(1)采用线切割将TiAl合金切割成60mm×30mm×4mm试样后，进行表面磨平，再使用16～24号刚玉进行喷砂处理，使用口径为10mm的喷枪，0.7GPa的工作压力，喷距150mm，表面粗糙度达到4～6μm。后将带有TiAl合金的工装安装至超音速火焰机床中。
(2)使用超音速火焰喷涂技术将所述的合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂至TiAl合金表面，形成粘结层；超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：
氧气流量：1800SCFH；
煤油流量：6GPH；
气体流量：20SLPM；
送粉量：4RPM；
喷枪与工件间距：300mm；
机床转速：150r/min；
N2为保护气体，气体流量为20SLPM。
(3)停止超音速火焰喷涂，完成粘结层的制备，工装冷却至室温后，安装至大气等离子机床中；
(4)使用大气等离子喷涂技术将纳米团聚粉末YSZ喷涂到粘结层表面，形成陶瓷面层；大气等离子喷涂技术的工艺参数为：
喷涂电压：30V；
喷涂电流：550A；
气体流量：50SLPM；
送粉量：4RPM；
喷枪与工件间距：100mm；
机床转速：100r/min；
Ar和H2为工作气体，其中Ar的气体流量为38SLPM，H2的气体流量为12SLPM。
(5)停止大气等离子喷涂，完成陶瓷面层的制备，冷却至室温，得到高温抗氧化的复合涂层。
所制得的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的表面如图1所示，截面如图2所示。制得的涂层均匀致密，无裂纹、孔洞等缺陷。
对纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的抗高温氧化性能进行评价，具体实验方法如下：
从带有涂层和不带有涂层的TiAl合金上切取15mm×15mm×4mm的试样，随后浸泡在酒精溶液中进行超声波清洗并吹干；在箱式电阻炉内进行等温氧化实验，温度为950℃，氧化时间为250h，期间每隔10h进行重量测量，得到氧化增重曲线如图3所示。从图中可以看出，两种试样的增重均随氧化时间的延长而增加，但带有涂层的试样增重远低于基体，带有涂层试样的氧化增重值为3.7mg/cm2，基体的氧化增重值为13.2mg/cm2。同时氧化250h后，该复合涂层并未发生脱落，表明此工艺制备的复合涂层具有优异的高温抗氧化性能和附着性。
实施例2
本实例在TiAl合金表面制备高温抗氧化复合涂层。所述的TiAl合金为Ti-48Al-2Nb-2Cr(at.％)。
所诉的陶瓷面层为纳米Y2O3-ZrO2热障层，由8wt.％Y2O3-ZrO2纳米团聚粉喷涂而成，所述粉末的粒径为26～53μm，厚度为250μm
所诉的底层为NiCoCrAlYTa粘结层，由合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂制成，其化学成分为25wt.％的Co、20wt.％的Cr、10wt.％的Al、5wt.％的Ta、1wt.％的Y，余量为Ni，所述合金粉末的粒径为44～74μm，厚度为150μm。
本实施例制备纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的具体步骤如下：
(1)采用线切割将TiAl合金切割成60mm×30mm×4mm试样后，进行表面磨平，再使用16～24号刚玉进行喷砂处理，使用口径为10mm的喷枪，0.7GPa的工作压力，喷距120mm，表面粗糙度达到4～6μm。后将带有TiAl合金的工装安装至超音速火焰机床中。
(2)使用超音速火焰喷涂技术将所述的合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂到TiAl合金表面，形成粘结层；超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：
氧气流量：1900SCFH；
煤油流量：7GPH；
气体流量：25SLPM；
送粉量：6RPM；
喷枪与工件间距：400mm；
机床转速：150r/min；
N2为保护气体，气体流量为25SLPM。
(3)停止超音速火焰喷涂，完成粘结层的制备，工装冷却至室温后，安装至大气等离子机床中；
(4)使用大气等离子喷涂技术将纳米团聚粉末YSZ喷涂到粘结层表面，形成陶瓷面层；大气等离子喷涂技术的工艺参数为：
喷涂电压：35V；
喷涂电流：600A；
气体流量：55SLPM；
送粉量：6RPM；
喷枪与工件间距：200mm；
机床转速：100r/min；
Ar和H2为工作气体，其中Ar的气体流量为40SLPM，H2的气体流量为15SLPM。
(5)停止大气等离子喷涂，完成陶瓷面层的制备，冷却至室温，得到抗高温氧化的复合涂层。
所制得的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层均匀致密，无显著裂纹、孔洞等缺陷。
对纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的抗高温氧化性能进行评价，具体实验方法如下：
从带有涂层和不带有涂层的TiAl合金上切取15mm×15mm×4mm的试样，随后浸泡在酒精溶液中进行超声波清洗并吹干；在箱式电阻炉内进行等温氧化实验，温度为950℃，氧化时间为250h，期间每隔10h进行重量测量，两种试样的增重均随氧化时间的延长而增加，但带有涂层的试样增重远低于基体，带有涂层试样的氧化增重值为2.5mg/cm2，基体的氧化增重值为14.1mg/cm2。同时氧化250h后，该复合涂层并未发生脱落，表明此工艺制备的复合涂层具有优异的高温抗氧化性能和附着性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，其特征在于，陶瓷面层为纳米Y2O3-ZrO2热障层，采用超音速火焰喷涂；底层为NiCoCrAlYTa粘结层，采用大气等离子喷涂；复合涂层与基体间形成机械结合，经过高温氧化后，会形成更加牢固的冶金结合。
2.如权利要求1所述TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷面层由5wt.％-8wt.％Y2O3与ZrO2纳米团聚粉末喷涂而成，所述团聚粉末的粒径为26～53μm；所述粘结层是由合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂制成，粘结层化学成分为20-25wt.％的Co、20-25wt.％的Cr、6-10wt.％的Al、1-5wt.％的Ta、0.1-1wt.％的Y，余量为Ni，所述合金粉末的粒径为44～74μm。
3.如权利要求1所述TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，其特征在于，所述复合涂层整体厚度为300-400μm，其中纳米Y2O3-ZrO2陶瓷面层厚度为200-250μm，NiCoCrAlYTa粘结层厚度为100-150μm。
4.如权利要求1-3任一所述TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：
(1)先将TiAl合金表面进行预处理，后将带有TiAl合金的工装安装至超音速火焰机床中；
(2)使用超音速火焰喷涂技术将所述的合金粉末NiCoCrAlYTa喷涂至TiAl合金表面，形成粘结层；超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：
氧气流量：1800-1900SCFH；
煤油流量：6-7GPH；
气体流量：20-25SLPM；
送粉量：4-6RPM；
喷枪与工件间距：300-400mm；
机床转速：150r/min；
(3)停止超音速火焰喷涂，完成粘结层的制备，工装冷却至室温后，安装至大气等离子机床中；
(4)使用大气等离子喷涂技术将纳米团聚粉末YSZ喷涂到粘结层表面，形成陶瓷面层；
(5)停止大气等离子喷涂，完成陶瓷面层的制备，冷却至室温，得到高温抗氧化的复合涂层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)表面预处理过程中，线切割后进行表面磨平，再使用16～24号刚玉进行喷砂处理，使用口径为10mm的喷枪，0.7GPa的工作压力，喷距为120～150mm，使表面粗糙度达到4～6μm。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)制备粘结层的过程中，N2为保护气体，气体流量为20-25SLPM。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述大气等离子喷涂技术的工艺参数为：
喷涂电压：30-35V；
喷涂电流：550-600A；
气体流量：50-55SLPM；
送粉量：4-6RPM；
喷枪与工件间距：100-200mm；
机床转速：100r/min。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)制备陶瓷面层的过程中，以Ar和H2为工作气体，其中Ar的气体流量为38-40SLPM，H2的气体流量为12-15SLPM。
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