一種γ‑TiAl合金表面納米梯度結構高溫防護塗層及其製備方法與流程
2023-05-10 01:25:06 1
本發明涉及汽車與飛機零件表面防護技術領域，具體涉及一種γ-TiAl合金表面高溫防護塗層及其製備方法。
背景技術：
γ-TiAl合金的優異高溫性能使其成為國家重大科技專項大飛機發動機壓氣機輪盤、葉片等部件的候選材料，也是近空間高超聲速飛行器外面板的重要備選材料。然而γ-TiAl合金也存在一些性能上的缺陷使得其應用受到限制，其中最突出的問題是高溫抗氧化性能嚴重不足。大量的研究與試驗表明，在超過800℃的高溫下，γ-TiAl合金的抗氧化性能急劇下降。同時，由於高溫下N、O原子的滲入，合金易產生次表層脆化現象，從而導致γ-TiAl合金的熱穩定性、持久強度、蠕變抗力及疲勞強度等力學性能大大降低。因此，目前γ-TiAl合金的有效使用溫度不超過800℃，不能滿足高超音速飛行器外的工作要求[10]。為了儘快滿足航空航天以及國防軍工等部門對輕比重、高性能的高溫結構材料的迫切需求，γ-TiAl合金的高溫抗氧化性能的提高與解決已成為關鍵的工程問題之一，若能使γ-TiAl合金的高溫抗氧化溫度提高到900~1100℃，對新一代戰鬥機、高超音速飛行器的減重及性能提高具有十分重要的意義。
在保持γ-TiAl合金整體力學性能的前提下提高其抗高溫氧化性能，最有效的方法便是在合金表面製備抗氧化性優良的保護塗層。在γ-TiAl合金表面濺射或噴塗製備的CoCrAlY和NiCrAlY熱障塗層，能夠顯著提高γ-TiAl的抗氧化性能。但是在高溫下MCrAlY合金塗層與基體間將產生互擴散，界面產生Kirkedall孔洞並析出硬脆相，嚴重降低結合強度和基體材料的疲勞性能（Z. L. Tang, F. H. Wang and W. T. Surf. Coat. Technol., 1998, 99: 248-252）。多層結構塗層增加了界面數，有利於阻礙氧元素向基體的內擴散，從而延長塗層的使用壽命，如：Corrosion Science雜誌2014年第80卷19-27頁報導的在8Nb-TiAl合金表面製備(Al2O3+Y2O3)/YSZ多層膜一文就提到了這一觀點，然而(Al2O3+Y2O3)/YSZ多層膜在長時間高溫服役的條件下易出現的裂紋擴散情況限制了其進一步的研發和應用。
為了儘快滿足航空航天等領域對輕比重、高性能的高溫結構材料的迫切需求，如何提高γ-TiAl合金的高溫抗氧化性能已成為關鍵的工程問題之一。
技術實現要素：
本發明目的是針對現有技術的不足，提供了一種γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層，並提供其製備方法，以提高γ-TiAl合金的抗高溫氧化性能。
實現本發明目的的技術解決方案是：一種γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層，包括表層(Al2O3+Y2O3)陶瓷層和次表層AlSiY合金層，表層和次表層通過冶金連接，次表層與基體γ-TiAl合金通過冶金連接，其中，自(Al2O3+Y2O3)陶瓷層表面向基體γ-TiAl合金表面方向，O元素含量呈梯度下降，Al和Y元素含量呈梯度上升，Ti元素含量呈梯度上升。
進一步的， (Al2O3+Y2O3)陶瓷層和AlSiY合金層分別由(Al2O3+Y2O3)納米顆粒和AlSiY合金顆粒組成。
進一步的，(Al2O3+Y2O3)陶瓷厚度為15~30μm。
進一步的，AlSiY合金層的厚度為15~30μm。
上述防護塗層的製備方法，採用磁控濺射技術，將基體γ-TiAl合金置於工件臺上，在濺射源上分別裝上AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶，對基體γ-TiAl合金先後進行AlSiY膜層和(Al2O3+Y2O3)膜層濺射鍍膜處理，其中表層為(Al2O3+Y2O3)陶瓷層，次表層為AlSiY合金層，直至達到所需厚度，其具體步驟如下：
1）將基體γ-TiAl合金與濺射靶材裝入磁控濺射裝置中，γ-TiAl合金置於試樣臺上， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；
2）抽真空至3×10-5Pa以下，送入氬氣，點擊AlSiY合金靶濺射電源，調試工藝參數至：
濺射功率：350~500W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
隨後，調試工藝參數至：
濺射功率：150~200W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：25~40mm；
濺射時間：2~4h；
隨後，再調試工藝參數至：
濺射功率：500~600W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
3）關閉AlSiY合金靶濺射電源，開啟(Al2O3+Y2O3)陶瓷靶濺射電源，調試工藝參數為：
濺射功率：350~500W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
隨後，調試工藝參數至：
濺射功率：250~300W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：25~40mm；
濺射時間：2~4h；
隨後，再調試工藝參數至：
濺射功率：500~600W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
4）關閉電源，空置設備2~5h，使試樣自然冷卻；
5）破真空，取樣。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
1）納米梯度結構塗層中的元素成分、組織結構的梯度分度有效地減弱了因成分與結構突變造成的高溫環境下的應力集中、塗層結合力減弱的情況。
2）AlSiY合金層中Al、Y和Si元素能夠為(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層提高一定的自修復性能，從而達到延長塗層使用壽命的目的。
3）塗層採用磁控濺射技術製備，即對(Al2O3+Y2O3)靶材和AlSiY靶材分別進行濺射，通過工作氣壓、濺射功率、以及靶材-基體間距的調節與控制，在基體γ-TiAl合金表面形成(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層。該方法效率高、工藝簡單，且製備的高溫防護塗層結構緻密、性能優良。
附圖說明
圖1為γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層表面SEM形貌圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。但對於本領域技術人員來說，完全可以在具體實施方式所列數值的基礎上進行合理的概括和推導。
實施例一：
1）將基體γ-TiAl合金與濺射靶材裝入磁控濺射裝置中，γ-TiAl合金置於試樣臺上， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；
2）抽真空至2×10-5Pa，送入氬氣，點擊AlSiY合金靶濺射電源，調試工藝參數至：
濺射功率：400W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間：20min；
使基體γ-TiAl合金表面活化、能量升高，並留下一定的空位。隨後，調試工藝參數至：
濺射功率：150W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：3h；
形成AlSiY合金層的主體部分。隨後，再調試工藝參數至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間：20min；
增加AlSiY合金層與基體γ-TiAl合金的結合強度。
3）關閉AlSiY合金靶濺射電源，開啟(Al2O3+Y2O3)陶瓷靶濺射電源，調試工藝參數為：
濺射功率：400W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間：30min；
使AlSiY合金層表面活化、能量升高，並留下一定的空位。隨後，調試工藝參數至：
濺射功率：300W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：3h；
形成(Al2O3+Y2O3)陶瓷層的主體部分。隨後，再調試工藝參數至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間： 30min；
增加(Al2O3+Y2O3)陶瓷層與AlSiY合金層的結合強度。
4）關閉電源，空置設備5h，使試樣自然冷卻。
5）破真空，取樣。
所製得(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層表面形貌如圖1，製得的塗層均勻緻密，無裂紋、孔洞等缺陷，其總厚度達到50μm，其中(Al2O3+Y2O3)陶瓷層厚20μm，AlSiY合金層厚30μm。在1200°C下高溫氧化實驗200h後，塗層依然保持完好、緻密，未出現剝落、開裂等現象，其氧化增重值為6.1mg/cm2，較基體γ-TiAl合金的氧化增重值109.3mg/cm2有了明顯的下降。
實施例二：
1）將基體γ-TiAl合金與濺射靶材裝入磁控濺射裝置中，γ-TiAl合金置於試樣臺上， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；
2）抽真空至1×10-5Pa，送入氬氣，點擊AlSiY合金靶濺射電源，調試工藝參數至：
濺射功率：350W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：20mm；
濺射時間：20min；
使基體γ-TiAl合金表面活化、能量升高，並留下一定的空位。隨後，調試工藝參數至：
濺射功率：150W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：2h；
形成AlSiY合金層的主體部分。隨後，再調試工藝參數至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：20mm；
濺射時間：20min；
增加AlSiY合金層與基體γ-TiAl合金的結合強度。
3）關閉AlSiY合金靶濺射電源，開啟(Al2O3+Y2O3)陶瓷靶濺射電源，調試工藝參數為：
濺射功率：350W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距： 20mm；
濺射時間：20min；
使AlSiY合金層表面活化、能量升高，並留下一定的空位。隨後，調試工藝參數至：
濺射功率：250W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：2h；
形成(Al2O3+Y2O3)陶瓷層的主體部分。隨後，再調試工藝參數至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距： 20mm；
濺射時間：20min；
增加(Al2O3+Y2O3)陶瓷層與AlSiY合金層的結合強度。
4）關閉電源，空置設備2~5h，使試樣自然冷卻。
5）破真空，取樣。
所製得(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結構高溫防護塗層均勻緻密，無裂紋、孔洞等缺陷，其總厚度達到40μm，其中(Al2O3+Y2O3)陶瓷層厚15μm，AlYMoSi合金層厚25μm。在1300°C下高溫氧化實驗100h後，塗層依然保持完好、緻密，未出現剝落、開裂等現象，其氧化增重值為9.4mg/cm2，較基體γ-TiAl合金的氧化增重值89.7mg/cm2有了明顯的下降。