CN207031529U - 具有复合渗层的钛铝合金件、具有金刚石涂层的钛铝合金件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体，以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层；所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、Ti5Si4层、TiSi2层，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低。后续在该复合渗层基础上制备金刚石涂层时，该复合渗层能提高金刚石涂层与钛铝合金基体的粘附性，改善钛铝合金不耐磨损的问题，提高金刚石涂层在钛铝合金件上的使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及钛铝合金的涂层技术领域，特别是涉及一种具有复合渗层的钛铝合金件、具有金刚石涂层的钛铝合金件。
背景技术
钛铝合金具有密度低、比强度和比刚度高、高温蠕变性能好等优点，被认为是极具应用前景的新型轻质工程结构材料之一。但其摩擦系数高，耐磨性差，在实际使用过程中容易磨损从而降低其使用寿命。摩擦磨损等微动损伤已成为限制钛铝合金广泛应用的主要瓶颈之一。
目前金刚石薄膜因具有硬度高、耐磨性强、摩擦系数较低、热导率高等特性，而常被用来制备耐磨涂层。一层附着力良好的金刚石薄膜可以极大地提高微动摩擦磨损服役环境下机械构件的使用寿命。但是钛铝合金与金刚石薄膜的热膨胀系数相差较大，金刚石薄膜在钛铝合金表面沉积后，在冷却的过程中，会因热膨胀系数相差较大而产生热应力从而导致金刚石薄膜与基体之间的粘附性较差、钛铝合金和金刚石薄膜之间形成裂纹，在应力集中的地方甚至会出现金刚石薄膜脱落的现象。
现有技术中(CN104760349A)有采用辉光离子渗的方法在钛铝合金表面制备了抗高温氧化和耐热腐蚀Al-Cr涂层，一来，Al-Cr涂层的制备成本较大，二来，所制备的Al-Cr涂层与金刚石薄膜的热膨胀系数仍有较大差距，不适合做金刚石薄膜与钛铝合金的中间层。因此，有必要提供一种适用于钛铝合金基体的、且能有效改善钛铝合金基体与金刚石薄膜之间粘附性的新型过渡层。
实用新型内容
鉴于此，本实用新型提供了一种具有复合渗层的钛铝合金件和具有金刚石涂层的钛铝合金件，用以解决后续在该复合渗层的基础上制备金刚石涂层时，解决现有金刚石涂层与钛铝合金基体粘附性不足的问题，从而有效改善钛铝合金不耐磨损的问题，还可提高金刚石涂层在钛铝合金件上的使用寿命。
第一方面，本实用新型提供了一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体，以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层；所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、Ti5Si4层、TiSi2层，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低。
其中，所述复合渗层的热膨胀系数由(9.0-9.5)×10-6/℃逐渐降低至(3.0-4.0)×10-6/℃。
其中，所述复合渗层的厚度为20-50μm。
其中，所述TiAl2层的厚度为10-20μm。
其中，所述掺Ti5Si4层的厚度为4-10μm；所述TiSi2层的厚度为5-15μm。
其中，在所述钛铝合金基体和所述TiAl2层之间，所述复合渗层还包括一Ti-Al互扩散层。
其中，所述Ti-Al互扩散层的厚度为2-10μm。
其中，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述Ti-Al互扩散层中的铝与钛的原子比由1:1逐渐增大为2:1。
其中，所述复合渗层的Ti5Si4层和TiSi2层中，还掺杂有稀土元素；所述稀土元素为钇、镧和铈中的一种或多种。
本实用新型第一方面提供的具有复合渗层的钛铝合金件，其通过在硬质合金基体上设置了热膨胀系数逐渐减低至与金刚石薄膜较为接近的复合渗层，便于后续在该复合渗层的基础上制备金刚石涂层时，能有效降低金刚石薄膜中的热应力，提高金刚石涂层与钛铝合金基体之间的粘附性，改善钛铝合金不耐磨损的问题，提高金刚石涂层在钛铝合金件上的使用寿命。
第二方面，本实用新型提供了一种具有金刚石涂层的钛铝合金件，其特征在于，包括钛铝合金基体，以及依次设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层和金刚石涂层，其中，所述复合渗层如本实用新型第一方面所述。
本实用新型第二方面提供的具有金刚石涂层的钛铝合金件，通过在钛铝合金基体上先设置上述复合渗层作为中间过渡层，再设置金刚石涂层，该复合渗层的存在使得钛铝合金上整体涂层的弹性模量和热膨胀系数能在钛铝合金基体与金刚石涂层之间梯度变化，有效降低金刚石薄膜中的热应力，提高金刚石涂层与钛铝合金基体之间的粘附性，改善钛铝合金不耐磨损的问题，提高金刚石涂层在钛铝合金件上的使用寿命。
本申请的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本申请实施例的实施而获知。
附图说明
图1为本申请实施例1中具有复合渗层的钛铝合金件的截面结构示意图。
图2为本申请实施例3中具有复合渗层的钛铝合金件的形貌结构的表征结果，(a)为背散射截面形貌，(b)为复合渗层的截面元素分布图，(c)、(d)为复合渗层的各层结构的X射线衍射(XRD)物相分析图；
图3为本申请实施例5中具有复合渗层的钛铝合金件的形貌结构的表征结果，(a)为背散射截面形貌，(b)为表面形貌图；
图4为针对实施例3所设置的两组对比实验的钛铝合金件的形貌结构的SEM表征结果。
图5为针对实施例5所设置的对比实验的钛铝合金件的形貌结构的SEM表征结果。
具体实施方式
以下所述是本申请实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请实施例的保护范围。
具体地，第一方面，本申请提供了一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体，以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层；所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、Ti5Si4层、TiSi2层，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低。
本申请中，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低至与金刚石涂层的接近。即，复合渗层的最外层—掺稀土元素的TiSi2层与金刚石涂层的热膨胀系数接近。
可选地，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数由(9.0-9.5)×10-6/℃逐渐降低至(3.0-4.0)×10-6/℃。进一步优选地，所述复合渗层的热膨胀系数由9.2×10-6/℃逐渐降低至3.5×10-6/℃。
其中，所述复合渗层中的Ti5Si4层和TiSi2层中，还掺杂有稀土元素；其中，所述稀土元素为钇(Y)、镧(La)和铈(Ce)中的一种或多种。
此时，所述具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体，以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层；所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、掺稀土元素的Ti5Si4层、掺稀土元素的TiSi2层，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低。
优选地，所述稀土元素为钇(Y)、镧(La)或铈(Ce)。
本申请的所述复合渗层中，硬度和热膨胀系数均呈梯度分布，采用稀土元素Y、La或Ce对TiAl2-Ti5Si4-TiSi2复合渗层进行改性，提高了该复合渗层的致密度和硬度，还增加了其塑性，后期在该复合渗层上于高温条件下制备金刚石涂层时，塑性较大的该复合渗层能较保持较完整的涂层形貌，便于形成致密的金刚石涂层，此外，该复合渗层还能有效缓解金刚石薄膜与钛铝合金基体之间的膨胀系数导致的热应力开裂，有效提高金刚石薄膜与基体之间的粘附性。
本申请中，所述复合渗层的厚度为20-50μm。优选为20-45μm。例如可以是22、25、30或35μm。
适合的复合渗层厚度，后期在该复合渗层上制备金刚石涂层时，有利于形成良好的中间过渡层，使该涂层的热膨胀系数在钛铝合金基体与金刚石涂层的热膨胀系数之间均匀地梯度变化，从而降低金刚石涂层的切应力峰值，提高金刚石涂层与基体的粘附性。
进一步地，所述复合渗层中，所述TiAl2层的厚度为10-20μm，例如可以为12、15、16、18或20μm。所述掺稀土元素的Ti5Si4层的厚度为4-10μm，例如可以为5、6、8或9μm。所述掺稀土元素的TiSi2层的厚度为5-15μm，例如可以为5、6、8、10、12、13或14μm。
本申请的所述复合渗层中，TiAl2晶粒大小为几百纳米，具体可以是400-700纳米；掺稀土元素的Ti5Si4晶粒大小为几百纳米，具体可以是200-300纳米；掺稀土元素的TiSi2晶粒大小为几百纳米，具体可以是200-300纳米。
优选地，在所述钛铝合金基体和所述TiAl2层之间，所述复合渗层还包括一Ti-Al互扩散层。优选地，所述Ti-Al互扩散层的厚度为2-10μm。
进一步地，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述互扩散层中的铝与钛的原子比由1:1逐渐增大为2:1。
可选地，稀土元素均匀在所述复合渗层的Ti5Si4层中和TiSi2层中。进一步地，稀土元素在所述复合渗层中掺杂的百分含量为2at.％-5at.％(原子浓度)。
可选地，硅元素(Si)在所述复合渗层中的百分含量为38at.％-60at.％。
本申请第一方面提供的具有复合渗层的钛铝合金件，其通过在硬质合金基体上设置了塑性较大的包含包含TiAl2-Ti5Si4-TiSi2的复合渗层，使得从钛铝合金基体表面向该复合渗层的厚度方向上，该复合渗层的热膨胀系数呈梯度变化，逐渐降低至与金刚石薄膜较为接近，便于后续在该复合渗层的基础上制备金刚石涂层时，能有效降低金刚石薄膜中的热应力，提高金刚石涂层与钛铝合金基体之间的粘附性，改善钛铝合金不耐磨损的问题，提高金刚石涂层在钛铝合金件上的使用寿命。
本申请第一方面提供的具有复合渗层的钛铝合金件的制备方法，可采用以下方法制备，包括以下步骤：
取钛铝合金基体，对其进行表面预处理；
配置渗剂：将硅粉、稀土元素氧化物、催化剂与氧化铝粉混合均匀，得到渗剂；所述渗剂包括以下质量分数的各组分：5-20％硅粉、0.5-5％稀土元素氧化物、5-15％催化剂，余量为氧化铝粉；其中，所述稀土元素氧化物为Y2O3、La2O3和CeO2中的一种或多种，所述催化剂为氟化钠和氟化镁中的一种或多种；
将所得渗剂置于球磨机中研磨，之后烘干；将烘干后的渗剂装入坩埚，并将所述表面预处理后的钛铝合金基体埋入渗剂中，然后对装有基体的坩埚加盖并密封，置于热处理炉中，在大气气氛下，将所述热处理炉升温至500-900℃，保温2-10小时后冷却至室温，得到包埋渗后的合金件；
取出所述包埋渗后的合金件，依次置于去离子水、酒精中超声清洗，烘干后得到具有复合渗层的钛铝合金件。
本申请中，所述表面预处理包括：
a、采用砂纸打磨钛铝合金基体，并在打磨后采用去离子水超声清洗；
b、采用腐蚀液对打磨后的钛铝合金基体进行腐蚀处理10s-2min，然后采用去离子水超声清洗，其中，所述腐蚀液为体积比为1:(5-12)的浓硫酸与双氧水的混合溶液。
优选地，步骤a中，所述打磨是采用目数为800-1500目的砂纸依次打磨。即，依次采用目数为800目、1000目、1200目和1500目的砂纸来打磨。
优选地，所述腐蚀液中，浓硫酸与双氧水的体积比为1:10。
所用渗剂是由特定配比的分析纯级别的硅粉、稀土元素氧化物(Y2O3粉、La2O3粉和CeO2粉)、催化剂与Al2O3粉组成，其中，硅粉、稀土元素氧化物分别提供被渗Si元素、稀土元素，Al2O3粉为填充物。填充物Al2O3粉主要对所述渗剂的各组分起分散作用，尤其避免Si等在后续高温处理中被烧结成陶瓷相，影响试样取出。催化剂主要使得Si元素和稀土元素能够渗入TiAl合金基体中。在高温热处理条件下下，渗剂的各组分之间会发生化学反应，生成含硅的氟化合物(即SiF4)气体及含稀土元素的氟化物气体(如YF3，LaF3，CeF4)，气体传输至钛铝合金基体表面，并被还原形成活性硅原子及活性稀土原子，并最终与基体发生化学反应及扩散作用，生成包含TiAl2-掺稀土元素的Ti5Si4-掺稀土元素的TiSi2这一复合渗层。更具体地，在高温的情况下，钛铝合金基体处于亚稳态，活性更高的Ti元素由基体向外扩散，并与向内扩散的渗剂中还原出来的Si和稀土元素(Y、La和Ce中的至少一种)反应形成掺稀土元素的TiSi2外层和掺稀土元素的Ti5Si4次外层。由于TiAl合金基体中的Ti元素被消耗，Al含量相对升高形成TiAl2相，在靠近基体处形成TiAl2层，且该层紧临与掺稀土元素的Ti5Si4次外层。
优选地，所述钛铝合金基体和所述TiAl2层之间，还包括一Ti-Al互扩散层。进一步地，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述Ti-Al互扩散层中的铝与钛的原子比由1:1逐渐增大为2:1。
其中，在所述Ti-Al互扩散层中，铝与钛元素以金属键结合。
本申请所用渗剂中，一来，不需要添加Al粉提供渗入元素Al，就可以在钛铝合金基体上制备得到含铝的渗层，以实现对复合渗层的热膨胀系数的梯度调节；二来，稀土元素氧化物的添加，不仅能大大降低试样在渗剂中的热处理温度，还能起到调节Si元素渗入基体速率的作用，而且稀土元素的掺杂可以提高所述复合渗层的紧密度和塑性，防止其因热应力开裂。
优选地，所述渗剂中，硅粉的质量分数为10-20％。
优选地，所述渗剂中，催化剂的质量分数为8-15％。
可选地，所述催化剂为氟化钠，或者为氟化钠和氟化镁的混合物。
优选地，所述催化剂为氟化钠和氟化镁的混合物。采用NaF粉和MgF2粉作催化剂，可以有利于稀土元素氧化物挥发成稀土元素的氟化物气体，更好地促进原子半径较大的稀土元素掺杂到所述复合渗层中，对其进行改性。
在本申请一实施方式中，所述渗剂包括以下重量百分比的各组分：5-20％硅粉、0.5-5％稀土元素氧化物、5-15％NaF粉，余量为Al2O3粉；其中，所述稀土元素氧化物为Y2O3、La2O3或CeO2，所述催化剂为NaF粉和MgF2粉的混合物。进一步地，所述NaF粉和MgF2粉的质量比为1:1。
优选地，所述硅粉的粒度≤800nm，进一步优选为200-300nm。
优选地，所述稀土元素氧化物(如Y2O3粉、CeO2粉等)的粒度≤800nm，进一步优选为200-300nm。
优选地，所述渗剂中，氧化铝粉的粒度≥1微米，进一步优选为2-5μm。
优选地，所述研磨的时间为1-3小时。这样可保证渗剂的各成分粉体混合均匀。
本申请中，如果是将所述表面预处理后的多个钛铝合金基体埋入渗剂中，需要将相邻的钛铝合金基体之间保持平行，优选地，相邻的钛铝合金基体之间的距离不小于8mm。
本申请中，所述密封是对加盖后的坩埚采用硅溶胶和氧化铝(Al2O3)的混合物来进行，并在80-120℃的干燥箱中固化，其中，硅溶胶和氧化铝的质量比为1：(1-1.2)。优选地，硅溶胶和氧化铝的质量比为1：1。硅溶胶与氧化铝的比例必须严格控制在本申请要求的范围，这样可以保证它们在高温热处理过程中不会发生开裂，对坩埚起到较好的密封作用，以无需真空条件下进行试样的热处理。
本申请中，所述热处理炉为马弗炉或高温电阻炉。所述热处理炉的保温温度为500-900℃。优选为600-900℃。
优选地，将所述热处理炉升温至500-900℃的升温速率为2-6℃/min。
优选地，所述热处理炉的冷却速率为5-15℃/秒。进一步优选为10℃/秒。
第二方面，本申请提供了一种具有金刚石涂层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体，以及依次设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层和金刚石涂层，其中，所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、Ti5Si4层、TiSi2层，且沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述金刚石涂层，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低。
进一步地，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低至与金刚石涂层的接近。
优选地，所述钛铝合金基体和所述TiAl2层之间，所述复合渗层还包括一互扩散层。优选地，所述互扩散层的厚度为3-10μm。进一步地，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述互扩散层中的铝与钛的原子比由1:1逐渐增大为2:1。
优选地，所述复合渗层的Ti5Si4层和TiSi2层中，还掺杂有稀土元素。
本申请中，所述金刚石涂层的厚度为2-10μm，优选为3-5μm。所述金刚石涂层的金刚石晶粒为纳米或微米级别。金刚石晶粒的大小为纳米级别或微米级别(即1-5微米)，具体可以是10-80纳米、1-4微米。
当金刚石涂层中金刚石晶粒为纳米级别时，其摩擦系数可以达到0.1以下，以便赋予所述钛铝合金件更好的耐磨性能。金刚石晶粒优选为小于10nm，进一步优选为2-8nm。
如上所述，所述复合渗层的厚度为35-50μm。合适厚度的复合渗层，有利于在钛铝合金基体与金刚石涂层之间充当良好的中间过渡层，使得整体涂层的弹性模量和热膨胀系数能在基体与金刚石涂层之间梯度变化，从而降低金刚石涂层的切应力峰值，提高金刚石涂层与钛铝合金基体的粘附性。
优选地，为了使金刚石涂层获得更好的粘附性，所述金刚石涂层的厚度为所述复合渗层厚度的0.05-0.1倍，即，所述复合渗层的厚度为所述金刚石涂层的厚度的10-20倍。
本申请第二方面提供的具有金刚石涂层的钛铝合金件，通过在钛铝合金基体上先设置复合渗层作为中间过渡层，再设置金刚石涂层，其中所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、掺杂稀土元素的Ti5Si4层、掺杂稀土元素的TiSi2层，且所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低，这使得整体涂层的弹性模量和热膨胀系数能在钛铝合金基体与金刚石涂层之间梯度变化，有效降低金刚石薄膜中的热应力，提高金刚石涂层与钛铝合金基体之间的粘附性，改善钛铝合金不耐磨损的问题，提高金刚石涂层在钛铝合金件上的使用寿命。
本申请上述提供的具有金刚石涂层的钛铝合金件的制备，可以在制备完成具有复合渗层的钛铝合金件后，在所述复合渗层上沉积金刚石涂层，得到具有金刚石涂层的钛铝合金件。
以下以更具体的实施例来进行说明。
实施例1
参见图1，本申请实施例1中提供的具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体10，以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层100；所述复合渗层100包括依次层叠设置的TiAl2层101(厚度为12μm)、Ti5Si4层102(厚度为6μm)、TiSi2层103(厚度为9μm)，且沿厚度方向由所述钛铝合金基体10向所述复合渗层100，所述复合渗层100的热膨胀系数逐渐降低至复合渗层的最外层103的热膨胀系数与后期在复合渗层的最外层形成的金刚石涂层的热膨胀系数接近。进一步地，Ti5Si4层102和TiSi2层103中，还掺杂有稀土元素Y。
本实施例提供的具有复合渗层的钛铝合金件，可采用以下方法制备，具体包括以下步骤：
步骤一：依次使用800#-1500#号的砂纸(800目、1000目、1200目和1500目)对钛铝合金基体进行打磨，打磨后使用去离子水超声清洗。然后使用腐蚀液对打磨后的钛铝合金基体进行腐蚀处理1分钟，其中，腐蚀溶液为将浓硫酸与双氧水按照体积比为1:10的比例来配制，腐蚀时之后使用去离子水超声清洗10分钟，得到表面预处理后的钛铝合金试样。
步骤二：按照重量百分比组成为：20％Si粉，0.5％Y2O3粉，8％NaF粉，其余为Al2O3粉的比例来配制渗剂，所有试剂皆为分析纯，其中Si粉及Y2O3粉的粒度都小于或等于800纳米，填充剂Al2O3粉的粒度大于1微米。
步骤三：将上述配制好的渗剂置于球磨机中研磨2小时，使各种试剂能够混合均匀，然后将研磨后的渗剂烘干。
步骤四：将上述烘干后的渗剂装入坩埚，并把上述表面预处理后的合金试样垂直水平面埋入渗剂中，相邻合金或工件之间保持平行。
步骤五：将装有试样的坩埚加盖并密封，采用质量比为1:1的硅溶胶与氧化铝的混合物作为密封剂来密封，密封后使坩埚在80℃左右的干燥箱中干燥2小时，以使密封剂完全固化。
步骤六：将密封好的坩埚置于马弗炉中，并将马弗炉升温至600℃，升温速率为4℃/min，在600℃条件下保温2小时后冷却至室温。
步骤七：将冷却至室温的坩埚取出，打开坩埚并将合金试样取出，使用去离子水超声5min钟后再置于酒精中超声5min，最终烘干，得到具有复合渗层的钛铝合金件。
此外，可以采用热丝气相沉积(HFCVD)在该复合渗层表面沉积生长金刚石涂层，完成带金刚石涂层的钛铝合金件的制备，而生长金刚石薄膜的沉积条件为：以CH4和H2的混合气体为反应气体，其中CH4：H2＝1：100(体积比)，维持沉积设备的真空室气压为3kPa，并为灯丝施加直流电源，使灯丝温度达到2300℃，使合金件的表面温度维持750℃，沉积生长时间为1.5h，得到厚度为1.5μm的金刚石涂层，金刚石涂层的金刚石晶粒为微米级别。
实施例2：
本实施例提供了一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体和设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层；所述复合渗层包括依次层叠设置的钛-铝互扩散层(厚度为4μm)、TiAl2层(厚度为14μm)、掺Y的Ti5Si4层(厚度为7μm)、掺Y的TiSi2层(厚度为9μm)；复合渗层的厚度为34μm。沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，该复合渗层的热膨胀系数由9.5×10-6/℃逐渐降低至4.0×10-6/℃。
本实施例还提供了一种具有金刚石涂层的钛铝合金件，在上述复合渗层表面还生长有厚度为2μm的金刚石涂层。
实施例3：
一种具有金刚石涂层的钛铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：使用800#-1500#号的砂纸依次对钛铝合金基体进行打磨，打磨后使用去离子水超声清洗。然后使用腐蚀液对打磨后的钛铝合金基体进行腐蚀处理2分钟，其中，腐蚀溶液为将浓硫酸与双氧水按照体积比为1:10的比例来配制，腐蚀时之后使用去离子水超声清洗10分钟，得到表面预处理后的钛铝合金试样。
步骤二：按照重量百分比组成为：10％Si粉，3％Y2O3粉，5％NaF粉，其余为Al2O3粉的比例来配制渗剂，所有试剂皆为分析纯，其中Si粉及Y2O3粉的粒度都小于或等于800纳米，填充剂Al2O3粉的粒度大于1微米。
步骤三：将上述配制好的渗剂置于球磨机中研磨3小时，使各种试剂能够混合均匀，然后将研磨后的渗剂烘干。
步骤四：将上述烘干后的渗剂装入坩埚，并把上述表面预处理后的合金试样垂直水平面埋入渗剂中，相邻合金或工件之间保持平行。
步骤五：将装有试样的坩埚加盖并密封，采用质量比为1:1的硅溶胶与氧化铝的混合物作为密封剂来密封，密封后使坩埚在100℃左右的干燥箱中干燥2小时，以使密封剂完全固化。
步骤六：将密封好的坩埚置于马弗炉中，并将马弗炉升温至700℃，升温速率为4℃/min，在700℃条件下保温5小时后冷却至室温。
步骤七：将冷却至室温的坩埚取出，打开坩埚并将合金试样取出，使用去离子水超声5min钟后再置于酒精中超声5min，最终烘干，得到具有复合渗层的钛铝合金件。
步骤八：将处理后的样品放置在微波等离子体增强化学气相沉积设备的真空室中，采用以下参数在上述复合渗层表面沉积生长金刚石薄膜2h：以氢气和甲烷为反应气体，控制氢气和甲烷的流量分别为500sccm和20sccm，沉积气压3kPa，基体温度800℃，沉积后形成的金刚石涂层的厚度为3μm，金刚石涂层中金刚石的晶粒尺寸为80nm；完成具有金刚石涂层的钛铝合金件的制备。
图2为本申请实施例3的步骤七中得到的具有复合渗层的钛铝合金件的形貌结构的表征结果，(a)为背散射截面形貌，(b)为(a)中渗层的截面元素分布图，其中1-8点为距渗层表面的距离依次增大的各点，1点距渗层表面的距离为0；(c)、(d)为具有复合渗层的钛铝合金件的不同厚度的X射线衍射(XRD)图。
从图2的(a)、(b)可以看出，具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层，自TiAl合金基体的厚度向上，所述复合渗层包括依次层叠设置的钛-铝互扩散层(厚度为3μm)、TiAl2层(厚度为15μm)、掺Y的Ti5Si4层(厚度为8μm)、掺Y的TiSi2层(厚度为10μm)，所述复合渗层的总厚度为36μm；且沿厚度方向由所述TiAl合金基体向所述复合渗层，该复合渗层的热膨胀系数由9.2×10-6/℃逐渐降低至3.5×10-6/℃，复合渗层的最外层掺Y的TiSi2层的热膨胀系数与待形成的金刚石涂层的热膨胀系数接近。此外，图2的(b)中还可以看出，Y元素均匀分布在复合渗层的厚度方向。
从图2的(c)、(d)可以看出，将复合渗层，以及将其最外层、中间层、内层依次打磨后，可分别观察到Y掺杂的TiSi2、Ti5Si4、TiAl2的XRD曲线，这进一步验证了该复合渗层的层叠结构。
实施例4：
本申请实施例4提供了一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层，该复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层(厚度为14μm)、掺Ce的Ti5Si4层(厚度为6μm)、掺Ce的TiSi2层(厚度为10μm)；该复合渗层的厚度为30μm。沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数由9.3×10-6/℃逐渐降低至3.8×10-6/℃。
本实施例4还提供了一种具有金刚石涂层的钛铝合金件，在上述复合渗层表面还生长有厚度为5μm的金刚石涂层。
实施例5
一种具有复合渗层的钛铝合金件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：使用800#-1500#号的砂纸依次对钛铝合金基体进行打磨，打磨后使用去离子水超声清洗。然后使用腐蚀液对打磨后的钛铝合金基体进行腐蚀处理2分钟，其中，腐蚀溶液为将浓硫酸与双氧水按照体积比为1:10的比例来配制，腐蚀时之后使用去离子水超声清洗10分钟，得到表面预处理后的钛铝合金试样。
步骤二：按照重量百分比组成为：10％Si粉，3％CeO2粉，5％催化剂(NaF粉和MgF2粉的质量比1:1)，其余为Al2O3粉的比例来配制渗剂，所有试剂皆为分析纯，其中Si粉及CeO2粉的粒度都小于或等于800纳米，填充剂Al2O3粉的粒度大于1微米。
步骤三：将上述配制好的渗剂置于球磨机中研磨3小时，使各种试剂能够混合均匀，然后将研磨后的渗剂烘干。
步骤四：将上述烘干后的渗剂装入坩埚，并把上述表面预处理后的合金试样垂直水平面埋入渗剂中，相邻合金或工件之间保持平行。
步骤五：将装有试样的坩埚加盖并密封，采用质量比为1:1的硅溶胶与氧化铝的混合物作为密封剂来密封，密封后使坩埚在100℃左右的干燥箱中干燥2小时，以使密封剂完全固化。
步骤六：将密封好的坩埚置于马弗炉中，并将马弗炉升温至700℃，升温速率为4℃/min，在700℃条件下保温5小时后冷却至室温。
步骤七：将冷却至室温的坩埚取出，打开坩埚并将合金试样取出，使用去离子水超声5min钟后再置于酒精中超声5min，最终烘干，得到具有复合渗层的钛铝合金件。
图3为本实施例7的具有复合渗层的钛铝合金件的形貌结构的表征结果，(a)为背散射截面形貌，(b)为表面形貌图。
从图3可以看出，所述复合渗层的表面平整光滑；自TiAl合金基体的厚度向上，所述复合渗层的总厚度为25μm，其包括依次层叠设置的钛-铝互扩散层(厚度为2μm)、TiAl2层(厚度为12μm)、掺Y的Ti5Si4层(厚度为5μm)、掺Y的TiSi2层(厚度为6μm)，且沿厚度方向由所述TiAl合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数由9.2×10-6/℃逐渐降低至3.5×10-6/℃，复合渗层的最外层掺Y的TiSi2层的热膨胀系数与待形成的金刚石涂层的热膨胀系数接近。
实施例6
本实施例6提供一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层，所述复合渗层包括依次层叠设置的钛-铝互扩散层(厚度为5μm)、TiAl2层(厚度为20μm)、掺Ce的Ti5Si4层(厚度为7μm)、掺Ce的TiSi2层(厚度为13μm)；该复合渗层的厚度为45μm；沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数由9.5×10-6/℃逐渐降低至4.0×10-6/℃。
实施例7：
本实施例7提供一种具有复合渗层的钛铝合金件，包括钛铝合金基体以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层，所述复合渗层包括依次层叠设置的钛-铝互扩散层(厚度为3μm)、TiAl2层(厚度为16μm)、掺La的Ti5Si4层(厚度为8μm)、掺La的TiSi2层(厚度为8μm)，该复合渗层的总厚度为35μm；沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数由9.0×10-6/℃逐渐降低至3.0×10-6/℃。
本实施例7还提供了一种具有金刚石涂层的钛铝合金件，在上述复合渗层表面还生长有厚度为3μm的金刚石涂层。
其中，具有金刚石涂层的钛铝合金件的制备过程如下：
步骤一：使用800#-1500#号的砂纸依次对钛铝合金基体进行打磨，打磨后使用去离子水超声清洗。然后使用腐蚀液对打磨后的钛铝合金基体进行腐蚀处理2分钟，其中，腐蚀溶液为将浓硫酸与双氧水按照体积比为1:10的比例来配制，腐蚀时之后使用去离子水超声清洗10分钟，得到表面预处理后的钛铝合金试样。
步骤二：按照重量百分比组成为：10％Si粉，3％La2O3粉，8％催化剂(NaF粉和MgF2粉的质量比1:1)，其余为Al2O3粉的比例来配制渗剂，所有试剂皆为分析纯，其中Si粉及La2O3粉的粒度都小于或等于800纳米，填充剂Al2O3粉的粒度大于1微米。
步骤三：将上述配制好的渗剂置于球磨机中研磨3小时，使各种试剂能够混合均匀，然后将研磨后的渗剂烘干。
步骤四：将上述烘干后的渗剂装入坩埚，并把上述表面预处理后的合金试样垂直水平面埋入渗剂中，相邻合金或工件之间保持平行。
步骤五：将装有试样的坩埚加盖并密封，采用质量比为1:1的硅溶胶与氧化铝的混合物作为密封剂来密封，密封后使坩埚在100℃左右的干燥箱中干燥2小时，以使密封剂完全固化。
步骤六：将密封好的坩埚置于马弗炉中，并将马弗炉升温至700℃，升温速率为4℃/min，在700℃条件下保温5小时后冷却至室温。
步骤七：将冷却至室温的坩埚取出，打开坩埚并将合金试样取出，使用去离子水超声5min钟后再置于酒精中超声5min，最终烘干，得到具有复合渗层的钛铝合金件。
步骤八：将处理后的样品放置在微波等离子体增强化学气相沉积设备的真空室中，采用以下参数在上述复合渗层表面沉积生长金刚石薄膜2h：以氢气和甲烷为反应气体，控制氢气和甲烷的流量分别为500sccm和20sccm，沉积气压3kPa，基体温度800℃，沉积后形成的金刚石涂层的厚度为3μm，金刚石涂层中金刚石的晶粒尺寸为80nm；完成具有金刚石涂层的钛铝合金件的制备。
为突出本申请的有益效果，现针对实施例3设置以下两组对比例，其区别在于：(a)，步骤二中渗剂中的催化剂是氯化铵粉末；(b)，步骤二中渗剂中不含氧化钇粉。热扩渗结束后，所得钛铝合金件的形貌结构的表征结果分别如图4所示。
从图4中可以看出，当所述渗剂中的催化剂为氯化铵粉末时，在钛铝合金基体上形成的渗层为单层结构(如图4中(a)所示)；当渗剂中不含氧化钇粉时，在钛铝合金基体上形成的渗层虽为多层，但所得渗层结构带有多孔洞和裂纹(如图4中(b)所示)，这使得渗层的韧性较差；后续在此基础上制备金刚石涂层时，不能很好地解决金刚石涂层与钛铝合金基体之间热应力大、膜基结合度低的问题。
此外，还针对实施例5在同等条件下设置以下对比实验：采用的渗剂为10％Si粉，5％催化剂(NaF粉和MgF2粉的质量比1:1)，余量为Al2O3粉。图5中为渗剂中未加CeO2粉所制得的渗层的形貌。从图5中可以看出，当渗剂中不含CeO2粉时，在钛铝合金基体上形成的涂层仅为两层，其中最靠近钛铝合金基体的是互扩散层。
以上对比说明，只有采用本申请提供的致密、多层结构的掺稀土元素的复合渗层，才使得该复合渗层具有梯度变化的热膨胀系数；后续在此基础上制备金刚石涂层时，才能很好地解决金刚石涂层与钛铝合金基体之间热应力大、膜基结合度低的问题。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和和阐述，本申请所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些等同修改和变更也应当在本申请的权利要求的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。
Claims (10)
1.一种具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，包括钛铝合金基体，以及设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层；所述复合渗层包括依次层叠设置的TiAl2层、Ti5Si4层、TiSi2层，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述复合渗层的热膨胀系数逐渐降低。
2.如权利要求1所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，所述复合渗层的热膨胀系数由(9.0-9.5)×10-6/℃逐渐降低至(3.0-4.0)×10-6/℃。
3.如权利要求1所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，所述复合渗层的厚度为20-50μm。
4.如权利要求1所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，所述TiAl2层的厚度为10-20μm。
5.如权利要求1所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，所述掺Ti5Si4层的厚度为4-10μm；所述TiSi2层的厚度为5-15μm。
6.如权利要求1所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，在所述钛铝合金基体和所述TiAl2层之间，所述复合渗层还包括一Ti-Al互扩散层。
7.如权利要求6所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，沿厚度方向由所述钛铝合金基体向所述复合渗层，所述Ti-Al互扩散层中的铝与钛的原子比由1:1逐渐增大为2:1。
8.如权利要求6所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，所述Ti-Al互扩散层的厚度为2-10μm。
9.如权利要求1-8任一项所述的具有复合渗层的钛铝合金件，其特征在于，所述复合渗层的Ti5Si4层和TiSi2层中，还掺杂有稀土元素；所述稀土元素为钇、镧和铈中的一种或多种。
10.一种具有金刚石涂层的钛铝合金件，其特征在于，包括钛铝合金基体，以及依次设置于所述钛铝合金基体上的复合渗层和金刚石涂层，其中，所述复合渗层如权利要求1-9任一项所述。
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| CN109385600B (zh) * | 2017-08-02 | 2023-11-03 | 深圳先进技术研究院 | 具有复合渗层的钛铝合金件及其制备方法、具有金刚石涂层的钛铝合金件及其制备方法 |
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