一种抗高温氧化Al₂O₃涂层的制备方法

专利名称：一种抗高温氧化Al₂O₃涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种化工方法，特别是涉及一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法。
背景技术：
工程材料经常采用合金化或表面处理的方法改善它们的氧化变脆现象和抗氧化 性能。合金化是指向合金中加入抗氧化元素如Al、Cr、Si等，使其在高温环境服役时 生成A1203、Cr203> SiO2等保护性氧化膜；但生成保护性氧化膜所需组元的临界浓度较 高，会导致材料的力学性能下降。为在高温条件下有效地防止氧的渗入，经常采用表面 处理的方法对材料进行保护，主要有通过物理气相沉积、化学气相沉积、溅射等工艺制 备陶瓷涂层、铝涂层、硅涂层。但大部分的涂层和基材之间存在粘附性差和严重的互扩 散等缺点。采用这些工艺制备涂层所需设备昂贵，工艺条件复杂，能耗大，简单的设备 和技术条件很难满足，大大限制了其广泛应用。因而，工艺简单、成本低的新型涂层制 备方法特别值得期待。

发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，本方法对材料提 供高温防护的Al2O3涂层成本低廉、操作工艺简单，并且反应条件温和、设备成本低；涂 层与基体的粘附性好，具有优良的抗氧化性能。本发明的目的是通过以下技术方案实现的
一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，包括如下步骤
(1)Al2O3纳米晶溶胶制备铝(醇)盐和蒸馏水按摩尔比1 100 200的比例混 合，同时强烈搅拌，形成白色悬浊液后用无机酸调节pH值在2 4之间，然后经过10 30分钟超声处理，在75 90 °C反应5 20小时，得到Al2O3纳米晶溶胶；
(2)涂层的制备将试样浸在溶胶中，以勻速提拉出液面，室温下干燥，然后在真 空干燥箱中干燥；浸涂后，将试片放在管式炉中，氩气保护下采用程序升温的方式进行 热处理；经过涂覆和热处理得到氧化铝涂层，样品随炉冷却至室温得到氧化铝薄膜。所述的一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，所述的无机酸是ΗΝ03。所述的一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，所述的铝(醇)盐是异丙醇铝或 硝酸铝。本发明的优点与效果是
1.本发明操作简单、反应条件温和、设备成本低；
2.本发明涂层具有优良的抗氧化性能；
3.本发明涂层与基体的粘附性好。
具体实施例方式下面对本发明进行详细说明。
本发明制备的Al2O3涂层具有优良的抗高温氧化性能，可以延长材料的抗静态长 期氧化性能和循环氧化性能，且涂层的黏附性较好。实施例1
异丙醇铝和蒸馏水按摩尔比1 150的比例混合，同时强烈搅拌，在80°C搅拌1小 时，加入HNO3调节pH值至3左右。在90 °C下搅拌5小时，得到透明溶胶。将Y-TiAl合金试片浸在Al2O3溶胶中，以lcm/min的速度提拉出液面，室温下 干燥20min，然后在75 °C的真空干燥箱中干燥40 min。浸涂5次后，将试片放在管式 炉中，氩气保护下进行热处理。管式炉内初压为2X ICT1 Pa，以流速0.5L/min的氩气作 为保护气，以5 °C/min的速率将炉温升到300 °C，并在此温度下保温1小时；重复上述 操作并升温到500 °C，保温2小时；最终将温度升至1000 °C，保温1小时。经过以上过 程试片浸涂15次，烧结处理3次。样品随炉冷却至室温得到1 μ m氧化铝涂层。等温氧化采用不连续称重法，在1000 °C空气条件下静态氧化110小时。将样 品置于1000 °C的炉中氧化1小时，取出后在空气中冷却10分钟。定义为一个周期，连 续操作100个周期。该Al2O3涂层使Y -TiAl合金于1000 0C的氧化抛物线速率常数降低 90%以上。Y-TiAl合金氧化7个周期后发生剥落，氧化30个周期之后，开始出现大面 积的剥落。而涂覆有Al2O3涂层的样品的循环氧化动力学呈现平滑的增重趋势，未见明 显的剥落。实施例2:
硝酸铝和蒸馏水按摩尔比1 150的比例混合，同时强烈搅拌，在80°C搅拌1小时， 加入HNO3调节pH值至3左右。在80 °C下搅拌10小时，得到透明溶胶。将γ -TiAl合金试片浸在Al2O3溶胶中，以1 cm/min的速度提拉出液面，室温下 干燥20min，然后在75°C的真空干燥箱中干燥40min。浸涂5次后，将试片放在管式炉 中，氩气保护下进行热处理。管式炉内初压为2 X ICT1 Pa，以流速0.5L/min的氩气作为 保护气，以5 °C/min的速率将炉温升到300 °C，并在此温度下保温1小时；重复上述操 作并升温到500 °C，保温2小时；最终将温度升至1000 °C，保温1小时。经过以上过程 试片浸涂15次，烧结处理3次。样品随炉冷却至室温得到0.8 μ m氧化铝涂层。在900 °C空气条件下静态氧化200小时。将样品置于900 °C的炉中氧化1小 时，取出后在空气中冷却10分钟。定义为一个周期，连续操作200个周期。该Al2O3涂 层使Y -TiAl合金于900 0C的氧化抛物线速率常数降低95%以上。γ -TiAl合金氧化15 个周期后发生剥落，氧化50个周期之后，开始出现大面积的剥落。而涂覆有Al2O3涂层 的样品的循环氧化动力学呈现平滑的增重趋势，未见明显的剥落。实施例3:
异丙醇铝和蒸馏水按摩尔比1 180的比例混合，同时强烈搅拌，在80°C搅拌1小 时，加入HNO3调节pH值至3左右。在90 °C下搅拌5小时，得到透明溶胶。将Ti-6A1_4V合金试片浸在Al2O3溶胶中，以1 cm/min的速度提拉出液面，室 温下干燥20min，然后在75 °C的真空干燥箱中干燥40 min。浸涂5次后，将试片放在管 式炉中，氩气保护下进行热处理。以流速0.5 L/min的氩气作为保护气，以5 °C/min的 速率将炉温升到300 °C，并在此温度下保温1小时；重复上述操作并升温到500 °C，保温 2小时；最终将温度升至800 °C，保温1小时。样品随炉冷却至室温得到氧化铝薄膜。
在600 °C空气条件下静态氧化100小时。将样品置于600 °C的炉中氧化1小 时，取出后在空气中冷却10分钟。定义为一个周期，连续操作100个周期。该Al2O3 涂层使Ti-6A1_4V合金于600 0C的静态氧化抛物线速率常数降低95%以上。Ti_6Al_4V 合金氧化5个周期后发生剥落，氧化20个周期之后，开始出现大面积的剥落。而涂覆有 Al2O3涂层的样品的循环氧化动力学呈现平滑的增重趋势，未见明显的剥落。实施例4:
硝酸铝和蒸馏水按摩尔比1 180的比例混合，同时强烈搅拌，在80°C搅拌1小时， 加入HNO3调节pH值至3左右。在90 °C下搅拌5小时，得到透明溶胶。将Ti-6A1_4V合金试片浸在Al2O3溶胶中，以1 cm/min的速度提拉出液面，室 温下干燥20min，然后在75 °C的真空干燥箱中干燥40 min。浸涂5次后，将试片放在管 式炉中，氩气保护下进行热处理。以流速0.5 L/min的氩气作为保护气，以5 °C/min的 速率将炉温升到300 °C，并在此温度下保温1小时；重复上述操作并升温到500 °C，保温 2小时；最终将温度升至800 °C，保温1小时。样品随炉冷却至室温得到氧化铝薄膜。在600 °C空气条件下静态氧化100小时。将样品置于600 °C的炉中氧化1小 时，取出后在空气中冷却10分钟。定义为一个周期，连续操作100个周期。该Al2O3 涂层使Ti-6A1_4V合金于600 0C的静态氧化抛物线速率常数降低95%以上。Ti_6Al_4V 合金氧化5个周期后发生剥落，氧化20个周期之后，开始出现大面积的剥落。而涂覆有 Al2O3涂层的样品的循环氧化动力学呈现平滑的增重趋势，未见明显的剥落。
权利要求
1.一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤(1)Al2O3纳米晶溶胶制备铝(醇)盐和蒸馏水按摩尔比1 100 200的比例混 合，同时强烈搅拌，形成白色悬浊液后用无机酸调节pH值在2 4之间，然后经过10 30分钟超声处理，在75 90 °C反应5 20小时，得到Al2O3纳米晶溶胶；(2)涂层的制备将试样浸在溶胶中，以勻速提拉出液面，室温下干燥，然后在真 空干燥箱中干燥；浸涂后，将试片放在管式炉中，氩气保护下采用程序升温的方式进行 热处理；经过涂覆和热处理得到氧化铝涂层，样品随炉冷却至室温得到氧化铝薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，其特征在于，所述 的无机酸是HNO3。
3.根据权利要求1所述的一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，其特征在于，所述 的铝(醇)盐是异丙醇铝或硝酸铝。
全文摘要
一种抗高温氧化Al2O3涂层的制备方法，涉及一种化工方法，(1)Al2O3纳米晶溶胶制备铝(醇)盐和蒸馏水按摩尔比1∶100～200的比例混合，形成白色悬浊液后用无机酸调节pH值在2～4之间，然后经过10～30分钟超声处理，在75～90oC反应5～20小时，得到Al2O3纳米晶溶胶；(2)涂层的制备将试样浸在溶胶中，以匀速提拉出液面，室温下干燥，然后在真空干燥箱中干燥；浸涂后，氩气保护下采用程序升温的方式进行热处理；经过涂覆和热处理得到氧化铝涂层，样品随炉冷却至室温得到氧化铝薄膜。本发明具有操作简单、反应条件温和、设备成本低、能耗低，涂层具有较好的抗高温氧化性能和与基体粘附性好特点。
文档编号C23C20/08GK102021545SQ20101059171
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者任保轶, 宁志高, 张学军, 李文泽, 高春香 申请人:沈阳化工大学