提高TiAl合金抗高溫氧化的鉻改性鋁化物塗層的製備的製作方法

2023-10-16 22:43:14 2

專利名稱：提高TiAl合金抗高溫氧化的鉻改性鋁化物塗層的製備的製作方法
技術領域：
本發明是提供一種提高TiAl合金抗高溫氧化腐蝕的鉻改性鋁化物塗層體系與製備工藝，屬鉻改性鋁化物塗層製備技術。
背景技術：
TiAl金屬間化合物具有優良的高溫比強度和比剛度，是製造新一代先進動力裝置最理想的候選材料之一。然而，TiAl金屬間化合物所面臨的主要障礙是其室溫塑性低和在高溫腐蝕環境中易氧化等問題。為了提高TiAl合金的抗高溫氧化性能，國內外均做了大量的研究與探索。概括起來有兩方面；一是通過合金化，提高材料整體的抗高溫氧化性，二是對材料進行表面處理，保護材料不受氧的侵害。從總體發展與研究成果來看，添加第三元素對於提高TiAl合金抗氧化性能是有限的，與實際應用存在一定的距離；因此，進一步的研究還需致力於表面處理。目前，研究了一系列的表面處理方法對TiAl合金抗氧化性能的影響，這些方法包括用包埋滲方法製備鋁化物塗層，用等離子噴塗方法得到的氧化鋁(Al2O3)和鎳(Ni)鉻(Cr)鋁(Al)釔(Y)塗層等，這些塗層可不同程度地提高TiAl的抗氧化性能，但都存在一系列的問題。鎳(Ni)鉻(Cr)鋁(Al)釔(Y)塗層在高溫下由於存在與TiAl基體互擴散的問題，因此該塗層還不能完全滿足實際應用的要求。等離子噴塗方法製備的氧化鋁(Al2O3)塗層比較脆，在高溫循環氧化過程中易剝落，因此該塗層也不能滿足實際應用的要求。在許多提高抗氧化性的塗層工藝中，包埋滲是一種相對簡單的工藝但仍被廣泛地應用。TiAl合金經過包埋滲鋁之後表面形成了具有四方結構的鈦鋁三(TiAl3)相。儘管鈦鋁三(TiAl3)相中鋁含量很高，具有形成保護性氧化鋁(Al2O3)的能力。但是，由於四方結構的鈦鋁三(TiAl3)相具有很低的對稱性，因而鈦鋁三(TiAl3)相很脆。因此，TiAl合金經過包埋滲鋁處理後，得到的TiAl3塗層中具有很多裂紋，在高溫氧化過程中，空氣中的氧通過這些裂紋向內擴散到TiAl基體的表面，因而在表面形成不具保護性的氧化鋁(Al2O3)+氧化鈦(TiO2)的混合物，導致在高溫循環氧化過程中塗層的剝落。研究結果表明在鈦鋁三(TiAl3)相中添加8原子百分數(at.％)Cr後，可將鈦鋁三(TiAl3)相的四方結構轉化成高對稱的立方L12結構。研究結果表明體才立方L12結構的鋁67(Al67)鈦25(Ti25)鉻8(Cr8)相的抗高溫氧化性能明顯優於鈦鋁三(TiAl3)相。
本發明的目的是採用鋁鉻共滲的方法在TiAl合金表面得到具有立方L12結構的鋁67(Al67)鈦25(Ti25)鉻8(Cr8)塗層，以提高TiAl合金的抗高溫氧化性能。

發明內容
本發明是採用下列技術方案來實現(1)成分及配比鉻改性鋁化物塗層按原子百分比由鋁67(Al67)鈦25(Ti25)鉻8(Cr8)等元素組成。製備鉻改性鋁化物塗層用滲劑的配比為按重量百分比計8-12.％鋁(Al)為200目，25-35.％鉻(Cr)為100目，1-3％氯化鈉(NaCl)為分析純，2-4.％氯化氨(NH4Cl)為分析純，其餘為三氧化二鋁(Al2O3)為200目。
(2)製備工藝埋滲的方法來製備鉻改性的鋁化物塗層。其製備工藝為按量準確稱取滲劑，將稱取好的滲劑置於研磨中研磨，用攪拌機對研磨好的滲劑進行攪拌，使其充分混合。將充分混合好的滲劑置於溫度為110℃的烘箱中進行烘乾。把烘乾過的滲劑裝入坩堝，並把試樣埋入此滲劑中，平行放置的試樣之間的距離不小於5mm。將裝有試樣的坩堝置於高溫電阻爐後，通入乾燥氬氣，然後將電阻爐加熱到1100℃，通過控制保溫時間，可以實現在TiAl合金表面製備不同厚度的鉻改性鋁化物塗層。
本發明的優點是TiAl合金經過包埋滲鋁處理後，表面塗層由具有四方結構的TiAl3相組成。儘管TiAl3相中鋁含量很高，具有形成保護性氧化鋁(Al2O3)的能力。但是，由於四方結構的TiAl3相具有很低的對稱性，因而TiAl3相很脆。因此，TiAl合金經過包埋滲鋁處理後，得到的TiAl3塗層中具有很多裂紋，在高溫氧化過程中，空氣中的氧通過這些裂紋向內擴散到TiAl基體的表面，因而在表面形成不具保護性的氧化鋁(Al2O3)+氧化鈦(TiO2)的混合物，導致在高溫循環氧化過程中塗層的剝落。TiAl合金經過鉻改性的鋁化處理後，得到的塗層由具有立方L12結構的鋁67(Al67)鈦25(Ti25)鉻8(Cr8)相組成。立方結構的鋁67(Al67)鈦25(Ti25)鉻8(Cr8)相不僅具有很高的鋁含量，而且具有優良的韌性，因而使得鉻改性的鋁化物塗層的抗高溫氧化性能顯著提高。
具體實施例方式該包埋滲劑的成分為按重量百分比10％鋁(Al)，30％鉻(Cr)，3％氯化鈉(NaCl)，4％氯化氨(NH4Cl)，53％三氧化二鋁(Al2O3)稱取；按上述量稱取好的滲劑置於研磨中研磨，用攪拌機對研磨好的滲劑進行攪拌，使其充分混合；將充分混合好的滲劑置於溫度為110℃的烘箱中進行烘乾；把烘乾過的滲劑裝入坩堝，並把試樣埋入此滲劑中，平行放置的試樣之間的距離不小於5mm，將裝有試樣的坩堝置於高溫電阻爐後，通入乾燥氬氣，擴散溫度及保溫時間分別為1100℃及8小時條件下，沉積得到的鉻改性鋁化物塗層在1100℃保溫60分鐘，五分鐘迅速冷卻至室溫的熱循環測試中，塗層的熱循環壽命達到了500小時，在1050℃保溫30分鐘，迅速水淬冷卻至室溫的熱衝擊測試中，塗層的熱循環壽命達到了150次；在1100℃恆溫氧化100小時，塗層的氧化增重僅為1.08mg/cm2，達到了完全抗氧化級，實現在TiAl合金表面製備不同厚度的鉻改性鋁化物塗層。
權利要求
1.一種提高TiAl合金抗高溫氧化的鉻改性鋁化物塗層的製備，鉻改性鋁化物塗層由鋁67、鈦25和鉻8組成，其特徵在於該塗層的製備工藝是採用包埋滲的方法來製備該塗層，其具體作法是(1)、先按量準確稱取滲劑，滲劑的配比按重量百分比為8-12％鋁為200目，25-35％鉻為100目，1-3％氯化鈉為分析純，2-4％氯化氨為分析純，其餘為三氧化二鋁為200目；(2)將稱取好的滲劑置於研磨中研磨，用攪拌機對研磨好的滲劑進行攪拌，使其充分混合；(3)將充分混合好的滲劑置於溫度為110℃的烘箱中進行烘乾；(4)把烘乾過的滲劑裝入坩堝，並把試樣埋入此滲劑中，平行放置的試樣之間的距離不小於5mm，將裝有試樣的坩堝置於高溫電阻爐後，通入乾燥氬氣，然後將電阻爐加熱到1100℃，通過控制保溫時間，可以實現在TiAl合金表面製備不同厚度的鉻改性鋁化物塗層。
全文摘要
一種提高TiAl合金抗高溫氧化的鉻改性鋁化物塗層的製備，該塗層由鋁67、鈦25和鉻8組成，其製備工藝採用包埋滲的方法製備，其方法是先按量準確稱取滲劑，滲劑的配比按重量百分比為8－12％鋁，25－35％鉻，1－3％氯化鈉，2－4％氯化氨，其餘為三氧化二鋁；將稱取好的滲劑進行研磨和攪拌；將充分混合好的滲劑置於溫度為110℃的烘箱中進行烘乾；把烘乾過的滲劑裝入坩堝，並把試樣埋入滲劑中，再將坩堝置入高溫電阻爐後通入乾燥氬氣，加熱到1100℃，通過控制時間，實現在TiAl合金表面製備不同厚度的鉻改性鋁化物塗層。
文檔編號C23C10/56GK1431338SQ02100328
公開日2003年7月23日 申請日期2002年1月10日 優先權日2002年1月10日
發明者周春根, 徐惠彬, 宮聲凱 申請人:北京航空航天大學