鈦合金塗層的製備方法、鈦合金塗層及應用與流程
2023-09-13 17:04:55 1
本發明涉及金屬材料表面改性領域，尤其涉及一種鈦合金塗層的製備方法。
背景技術：
鈦合金由於比強度及比模量高、密度低、抗破壞能力強，在先進航空發動機的壓氣機機匣、葉片等航空部件上具有巨大的應用前景。但由於鈦合金在高溫環境下，遭受劇烈摩擦時會起火燃燒，並且會迅速蔓延，發生鈦火事故，嚴重製約了鈦合金在先進航空發動機中的應用。在鈦合金部件表面製備防鈦火阻燃塗層是防止鈦火燃燒的措施之一。此外，先進航空發動機的鈦合金部件承受的工作溫度越來越高，需要在鈦合金表面製備隔熱塗層，以提高其抗高溫氧化能力，延長部件的使用壽命。目前，採用等離子噴塗製備隔熱塗層的技術相對成熟，但不具備鈦火防止功能，無法滿足新型號的需求。
技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種鈦合金的製備方法、鈦合金塗層及其應用，以解決現有技術鈦合金塗層不具備鈦火防止功能的技術缺陷。
為實現上述目的，本發明提出一種鈦合金複合塗層的製備方法，包括：
步驟1：於鈦合金上通過電火花沉積技術沉積非晶材料tizrnicube以形成防鈦火阻燃塗層；以及
步驟2：在所述防鈦火阻燃塗層上通過等離子噴塗製備隔熱塗層。
較佳地，所述步驟2中採用超音速等離子噴塗。
較佳地，步驟1中的電火花沉積工藝為：電壓60-110v、頻率1-2khz、放電電容在40～120μf、比沉積時間1-5min/cm2。
較佳地，步驟1中：所述防鈦火阻燃塗層的厚度0.1-0.15mm。
較佳地，步驟1中：沉積過程中用氬氣保護，氬氣流量10-20l/min。
較佳地，步驟2中，噴塗工藝為：電流430-445a、電壓130-150v、氬氣流量1800-2200l/h、噴塗距離為50-100mm、送粉量為20-50g/min，所述隔熱塗層的厚度為0.2-0.3mm。
較佳地，所述隔熱塗層為zro2.7-8％y2o3隔熱塗層。
較佳地，步驟1及步驟2之間還包括：通過噴砂去除所述防鈦火塗層表面氧化物。
而且，為實現上述目的，本發明還提出了上述鈦合金複合塗層的製備方法所製備的鈦合金塗層。
而且，為實現上述目的，本發明還提出了上述鈦合金塗層在航空部件中的應用。
本發明結合電火花沉積技術和等離子噴塗技術製備複合功能塗層。電火花沉積的tizrnicube非晶合金塗層具有良好的防鈦火性能，超音速等離子噴塗的釔穩氧化鋯塗層具有優異的隔熱性能，複合功能塗層兼具了防鈦火阻燃和隔熱性能。同時，電火花沉積的tizrnicube非晶合金塗層不僅具有防鈦火阻燃功能，還與基體形成微冶金結合保障了複合功能塗層具有高達38mpa的結合強度，可以替代傳統熱障塗層的粘結層，而且，複合功能塗層的抗熱震性能優異，經受75次熱震循環，複合功能塗層剝落不到10％。此外，複合功能塗層對鈦合金基體的高周疲勞壽命的影響低於10％。
附圖說明
圖1為複合功能塗層截面的金相圖；
圖2為製備的防鈦火阻燃塗層線掃描圖譜；
圖3為防鈦火阻燃塗層x射線衍射圖譜。
其中，附圖標記：
1、ti
2、zr
3、al
4、cu
5、ni
具體實施方式
本發明提出了在鈦合金表面採用電火花沉積技術沉積非晶材料為粘結層，採用超音速等離子噴塗製備隔熱塗層的防鈦火及隔熱複合功能塗層的方法。該方法是用電火花沉積結合超音速等離子噴塗在鈦合金表面製備隔熱防鈦火阻燃複合功能塗層的方法，兼具防鈦火阻燃與隔熱的性能。
本發明提出的鈦合金複合塗層的製備方法包括：步驟1：於鈦合金上通過電火花沉積技術沉積非晶材料tizrnicube以形成防鈦火阻燃塗層；以及步驟2：在所述防鈦火阻燃塗層上通過等離子噴塗製備隔熱塗層。即，本發明的複合塗層的製備方法，採用電火花沉積設備在鈦合金表面沉積tizrnicube非晶合金，然後用超音速等離子噴塗設備噴塗zro2.7-8％y2o3塗層，形成兼具防鈦火阻燃與隔熱性能的複合功能塗層。其中，步驟1中，非晶材料tizrnicube沉積前經阻燃性能對比試驗優化過更佳。
該方法具體如下：首先用酒精清洗鈦合金表面，吹乾後用電火花沉積設備沉積非晶材料tizrnicube防鈦火阻燃塗層，厚度0.1-0.15mm，沉積過程中用氬氣保護，氬氣流量10-20l/min；電火花沉積工藝為：電壓60-110v、頻率1-2khz、放電電容在40～120μf、比沉積時間1-5min/cm2。隨後採用噴砂工藝，去除防鈦火塗層表面的氧化物，再採用超音速等離子噴塗材料為zro2.7-8％y2o3的隔熱塗層，厚度0.2-0.3mm。噴塗工藝為：電流430-445a、電壓130-150v、氬氣流量1800-2200l/h、噴塗距離為50-100mm、送粉量為20-50g/min。
實施例：
本實施方式是電火花沉積技術與超音速等離子噴塗技術結合製備隔熱防鈦火複合功能塗層的方法，具體實施步驟如下：
一、用酒精在超聲清洗池中清洗鈦合金表面，清洗時間5-10min，清洗後吹乾。
二、用電火花沉積設備將tizrnicube非晶合金沉積到鈦合金表面，得到防鈦火阻燃塗層。電火花沉積工藝為：電壓60-110v、頻率2khz；放電電容從40μf逐漸增到120μf，然後從120μf逐漸減到40μf，以達到先增厚後拋光的目的；比沉積時間5min/cm2、厚度0.1-0.15mm，沉積過程中用氬氣保護，氬氣流量20l/min。
三、輕微噴砂，去除防鈦火塗層表面氧化物，用超音速等離子噴塗設備噴塗釔穩氧化鋯隔熱塗層(zro2.7-8％y2o3)，厚度0.2-0.3mm。噴塗工藝為：電流430-445a、電壓130-150v、氬氣流量1800-2200l/h、噴塗距離為50-100mm、送粉量為20-50g/min，厚度0.2-0.3mm。
圖1為複合功能塗層截面的金相照片；可以看出，電火花沉積tizrnicube非晶合金層與基體和釔穩氧化鋯噴塗層的界面清晰，形成了良好的結合。
圖2為製備的阻燃塗層線掃描圖譜；其中，曲線1、2、3、4、5依次代表ti、zr、al、cu、ni。由圖2可知，基體鈦合金主要由tial組成，阻燃塗層主要由tizrnicube組成。塗層與基體之間無元素過渡區，塗層主要由zr、ti元素組成，基體主要由ti、al元素組成，zr、al元素在塗層與基體界面存在突變，說明採用微弧離子表面改性工藝在鈦合金上製備阻燃塗層時，塗層與基體之間不存在過渡區。阻燃層和基體材料結合面處有很窄的成分熔滲擴散區，此處的主要元素發生了相互擴散。基體的ti、al、mo元素由基體向阻燃層擴散；阻燃層的主要元素ni、cu、zr等元素由阻燃層表面向基體擴散。
圖3為阻燃塗層x射線衍射圖譜；由圖3可知，製備的阻燃塗層由tizrnicube非晶合金組成，圖中衍射峰呈饅頭形慢散射峰，表面塗層物相完全由非晶相組成。
將複合功能塗層連續進行75次熱震試驗，塗層表面剝落不到10％，而「hb7296-96，熱噴塗熱障塗層質量檢驗」標準規定，熱障塗層熱震試驗連續6次塗層無剝落開裂等缺陷即為合格，複合功能塗層連續進行75次熱震試驗才出現輕微剝落，遠遠超過標準規定的合格次數。
本發明的有益效果是，結合電火花沉積技術和等離子噴塗技術製備複合功能塗層。電火花沉積的tizrnicube非晶合金塗層具有良好的防鈦火阻燃性能，超音速等離子噴塗的釔穩氧化鋯塗層具有優異的隔熱性能，複合功能塗層兼具了防鈦火阻燃和隔熱性能。同時，電火花沉積的tizrnicube非晶合金塗層不僅具有防鈦火阻燃功能，還與基體形成微冶金結合保障了複合功能塗層具有高達38mpa的結合強度，可以替代傳統熱障塗層的粘結層，而且，複合功能塗層的抗熱震性能優異，經受75次熱震循環，複合功能塗層剝落不到10％。此外，複合功能塗層對鈦合金基體的高周疲勞壽命的影響低於10％。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明權利要求的保護範圍。