CN1382826A - 抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料及制备 - Google Patents

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Abstract

本发明抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料及制备属于材料加工工程领域,具体来讲是一种以含硅材料为渗剂,将钛铝基合金制工件包埋,在高温、真空条件下通过将钛铝基合金工件表面渗硅处理,在表层形成由Ti5Si3+10～45wt%Al2O3+0～10wt%TiAl3构成渗硅层的梯度材料及制备方法。这种由钛铝基合金为基体以渗硅层为表层的梯度材料在大气中具有优异的抗高温氧化性能及抗热疲劳性能。所用的渗剂来源充足,价格低廉,可多次使用;所采用的渗硅工艺简单,产品质量稳定,易于控制,不受工件形状限制,可使用通用型设备,生产成本低,适用于工业化批量生产。

Description

抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料及制备
一、技术领域
抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料及制备属于材料加工工程领域，具体来讲是一种以含硅材料为渗剂将钛铝基合金制工件包埋，在高温、真空条件下获得以钛铝基合金为基体，渗硅层为表层的抗高温氧化、抗热疲劳的梯度材料及制备方法。
二、背景技术
钛铝基合金具有密度低、高温强度和刚度高等优点，尤其是经过国内外近十多年的研究，钛铝基合金的塑性和韧度得到了较大改善(Kim Y-W.，[JOM 46(7)，30，1994])(Yamaguchi M.，et al.，[Acta Materilia48，307，2000])，可望成为理想的航空航天及未来汽车工业用高温结构材料。目前所开发的具有相当韧塑性的钛铝基合金的氧化极限是870℃，但已经暴露即使只在750℃附近，抗氧化性能仍显不足，限制了钛铝基合金的工业应用(Taniguchi S.，[Materials and Corrosion 48，1，1997])(Meier G.，[Materials and Corrosion 47，595，1996])(Rahmel A.，etal.，[Materials and Corrosion 46，271，1995])。目前通过表面改性提高钛铝基合金抗高温氧化性能的方法有：(1)涂层：通过溅射获得Al2O3、瓷釉涂层(Tang Z.，et al.，[Materials Science Engineering A 276，70，2000])和Al-21Ti-23Cr-0.1Y涂层(Lee H.，et al.，[Scripta Materilia 41，1073，1999])。但溅射法涂层设备昂贵，且对一些特殊形状的工件并不适用；(2)离子注入：氯、溴(Schumacher G.，et al.，[Intermetallics 7，1113，1999])、硅(Taniguch S.，et al.，[Materials Science Engineering A 277(1-2)，229，2000])、铌(Li X，.et al.，[Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch B 169，37，2000])离子注入等均使钛铝合金的抗氧化性能获得不同程度的改善，但注入法同样具有设备昂贵，和对一些特殊形状的工件不适用的缺点；(3)预氧化：在真空度为10-3Pa的条件下，1000℃保温10～16h大大提高了钛铝基合金在870℃下的抗氧化性能(YoshiharaM.，et al.，[High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys IV 213，975，1990])。虽然上述表面改性技术均不同程度地提高了钛铝基合金的抗高温氧化性能，但至今仍未找到一种能够使钛铝基合金在苛刻环境下长时间工作的抗高温氧化防护方法。
三、发明内容
本发明目的在于公开一种使用含硅的渗剂，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，在高温、真空条件下渗硅处理，获得以钛铝基合金为基体，以渗硅层为表层的抗高温氧化、抗热疲劳的新型梯度材料的技术方案。所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料，其特征在于是以钛铝基合金为基体，以厚度为1～35μm的Ti5Si3+10～45％Al2O3+0～10％TiAl3构成的渗硅层为表层的梯度材料。所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是用渗硅剂将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，在高温、真空条件下渗硅处理，获得以钛铝基合金为基体，以渗硅层Ti5Si3+10～45％Al2O3+0～10％TiAl3为表层的抗高温氧化、抗热疲劳的梯度材料的制备方法。
所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是采用混合均匀的10～40％陈旧硅粉(其中氧含量占0.01～5％)+惰性剂：氧化铝、氧化镁、氧化锆及其它们之间的相互组合，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，置于真空室内，真空度优于10-2Pa，在900～1300℃保温0.5h～20h后冷却。即得以钛铝基合金为基体，表面渗硅层厚度为1～35μm的梯度材料。
所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是采用混合均匀的5～30％Si粉+0.5～5％SiO2+惰性剂：氧化铝、氧化镁、氧化锆及其它们之间的相互组合，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，置于真空室内，真空度优于10-2Pa，在900～1300℃保温0.5h～20h后冷却。即得以钛铝基合金为基体，表面渗硅层厚度为1～35μm的梯度材料。
所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是采用混合均匀的0.5～5％SiO2粉+惰性剂：氧化铝、氧化镁、氧化锆及其它们之间的相互组合，将钛铝基合金制工件与渗硅剂(混合均匀的碳化硅粉+20～40％钛粉)隔离后，包埋于密闭容器中，置于真空室内，真空度优于10-2Pa，在900～1300℃下保温0.5h～20h后冷却。即得以钛铝基合金为基体，表面渗硅层厚度为1～30μm的梯度材料。
本发明的优点为所用的渗剂来源充足，价格低廉，可多次使用；渗硅工艺简单，产品质量稳定，易于控制，不受工件形状限制，可使用通用型设备，生产成本低，适用于工业化批量生产。所制备成的这种以钛铝基合金为基体，以厚度为1～35μm的Ti5Si3+10～45％Al2O3+0～10％TiAl3构成的渗硅层为表层的梯度材料具有显著的抗高温氧化、抗热疲劳性能，而且渗硅层与钛铝基合金基体的结合强度高，可满足航空航天及未来汽车工业用重要零部件的技术要求。
四、附图说明
图1为采用混合均匀的15wt％陈旧硅粉(其中氧含量为～0.3％)+惰性剂(Al2O3)粉末渗剂将钛铝基合金工件保埋于密闭容器中，在真空度为5×10-3Pa，1250℃保温6h冷却后，钛铝基合金基体与渗硅层横截面的扫描电镜背散射显微像。
五、实施例
实施例1
采用15wt％陈旧硅粉(其中氧含量为0.3％)+惰性剂(Al2O3)混合均匀的粉末渗剂，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，置于真空室内(真空度为5×10-3Pa)，在1250℃保温6h冷却后，即得以钛铝基合金为基体，以表层为Ti5Si3+Al2O3+TiAl3所构成的梯度材料。SEM(扫描电镜)观察到如图1所示厚度为15μm的渗硅层(60％Ti5Si3+37％Al2O3+3％TiAl3)，在900℃静止空气中经600h/300次循环氧化后试样外观质量完好，氧化增重为1.8mg·cm-2。
实施例2
采用15％Si粉+1％SiO2粉+惰性剂(氧化镁)混合均匀的粉末渗剂，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，置于真空室内(真空度为3×10-2Pa)，在1250℃保温4h冷却后，即得以钛铝基合金为基体，以表层为Fi5Si3+Al2O3+TiAl3所构成的梯度材料。SEM观察到厚度为12μm的渗硅层(65％Ti5Si3+30％Al2O3+5％TiAl3)，在900℃静止空气中经600h/300次循环氧化后试样外观质量完好，氧化增重为1.9mg·cm-2。
实施例3
用混合均匀的3％SiO2粉+惰性剂(氧化锆)将钛铝基合金制工件与渗硅剂(碳化硅粉+30％Ti粉)隔离，包埋于密闭容器中，置于真空室内(真空度为2×10-3Pa)，在1250℃下保温15h冷却后，即得以钛铝基合金为基体，以表层为Ti5Si3+Al2O3所构成的梯度材料。SEM观察到厚度为20μm的渗硅层(60％Ti5Si3+40％Al2O3)，在900℃静止空气中经600h/300次循环氧化后试样外观质量完好，氧化增重为1.6mg·cm-2。

Claims (6)

1、一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料，其特征在于是一种以钛铝基合金为基体，以渗硅层为表层的抗高温氧化、抗热疲劳的梯度材料，其渗硅层的构成为：Ti5Si3+10～45wt％Al2O3+0～10wt％TiAl3。
2、按照权利要求1所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料其特征在于是以钛铝基合金为基体，以厚度为1～35μm的Ti5Si3+10～45wt％Al2O3+0～10wt％TiAl3为表层所构成的梯度材料。
3、按照上述权力要求1所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是用渗硅剂将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，在高温、真空条件下渗硅处理，获得以钛铝基合金为基体，以渗硅层Ti5Si3+10～45wt％Al2O3+0～10wt％TiAl3为表层的抗高温氧化、抗热疲劳的梯度材料的制备方法。
4.按照权利要求3所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是采用混合均匀的10～40％陈旧硅粉(其中氧含量占0.01～5％)+惰性剂：氧化铝、氧化镁、氧化锆及其它们之间的相互组合，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，置于真空室内，真空度优于10-2Pa，在900～1300℃保温0.5h～20h后冷却。即得以钛铝基合金为基体，表面渗硅层厚度为1～35μm的梯度材料。
5.按照权利要求3所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是采用混合均匀的5～30％Si粉+0.5～5％SiO2+惰性剂：氧化铝、氧化镁、氧化锆及其它们之间的相互组合，将钛铝基合金制工件包埋于密闭容器中，置于真空室内，真空度优于10-2Pa，在900～1300℃保温0.5h～20h后冷却。即得以钛铝基合金为基体，表面渗硅层厚度为1～35μm的梯度材料。
6.按照权利要求3所述的一种抗高温氧化的钛铝基合金梯度材料的制备方法，其特征在于是采用混合均匀的0.5～5％SiO2粉+惰性剂：氧化铝、氧化镁、氧化锆及其它们之间的相互组合，将钛铝基合金制工件与渗硅剂：混合均匀的碳化硅粉+20～40％Ti粉隔离后，包埋于密闭容器中，置于真空室内，真空度优于10-2Pa，在900～1300℃下保温0.5h～20h后冷却。即得以钛铝基合金为基体，表面渗硅层厚度为1～30μm的梯度材料。
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