一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法与流程

本发明涉及钛合金高温防护涂层制备技术，具体为一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法，在钛合金表面采用冷喷涂Al-Si和热扩散处理制备Ti(Al,Si)₃的共渗涂层。

背景技术：
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Ti-Al系合金，尤其是α-Ti₃Al、γ-TiAl和O相Ti₂AlNb合金具有低密度、高强度、高熔点和优良的抗蠕变性能，可广泛用于汽车或航空发动机的高温部件，是很有应用前景的轻型高温材料。见文献[1]H.Clemens,andH.Kestler,Processing and Applications of Intermetallic γ‐TiAl‐Based Alloys,Adv.Eng.Mater.,2000,2(9),p 551-570。然而，Ti-Al合金抗高温氧化性能不足，尤其是当其使用温度超过800℃时，表面形成不具有保护性的TiO₂氧化膜，同时氧会渗透到基体中与钛基体形成固溶体，降低合金的塑性，严重影响合金的使用性能。见文献[2]A.Rahmel,M.Schütze,and W.Quadakkers,Fundamentals of TiAl Oxidation–a Critical Review,Mater.Corros.,1995,46(5),p 271-285。因此，钛合金在高温状况下使用必须施加涂层进行保护。

目前，Ti-Al合金的防护涂层有很多种。其中，铝化物涂层与基体合金具有很好地相容性，获得了广泛的研究，主要有：粉末包埋渗铝、热浸镀渗铝、电镀铝和热扩散、溅射铝和热扩散以及热喷涂铝及热扩散，这些涂层都在一定程度上提高了基体合金的抗高温氧化能力。见文献[3-9]：

[3]C.H.Koo,and T.H.Yu,Pack Cementation Coatings on Ti₃Al-Nb Alloys to Modify the High-Temperature Oxidation Properties,Surf.Coat.Technol.,2000,126(2-3),p 171-180；

[4]Z.D.Xiang,S.Rose,and P.K.Datta,Pack Deposition of Coherent Aluminide Coatings on Gamma-TiAl for Enhancing Its High Temperature Oxidation Resistance,Surf.Coat.Technol.,2002,161(2-3),p 286-292；

[5]V.Gauthier,F.Dettenwanger,M.Schütze,V.Shemet,and W.Quadakkers,Oxidation-Resistant Aluminide Coatings on γ-TiAl,Oxid.Met.,2003,59(3-4),p 233-255；

[6]T.Sasaki,T.Yagi,T.Watanabe,and A.Yanagisawa,Aluminizing of TiAl-Based Alloy Using Thermal Spray Coating,Surf.Coat.Technol.,2011,205(13-14),p 3900-3904；

[7]M.S.Chu,and S.K.Wu,The Improvementof High Temperature Oxidation of Ti–50Al by Sputtering Al Film and Subsequent Interdiffusion Treatment,Acta Mater.,2003,51(11),p 3109-3120；

[8]F.A.Varlese,M.Tului,S.Sabbadini,F.Pellissero,M.Sebastiani,and E.Bemporad,Optimized Coating Procedure for the Protection of TiAl Intermetallic Alloy against High Temperature Oxidation,Intermetallics,2013,37,p 76-82；

[9]M.Miyake,S.Tajikara,and T.Hirato,Fabrication of TiAl₃Coating on TiAl-Based Alloy by Al Electrodeposition from Dimethylsulfone Bath and Subsequent Annealing,Surf.Coat.Technol.,2011,205(21-22),p 5141-5146。

此外，在钛合金上渗硅也获得了一定的关注，研究表明渗硅涂层也较好地提高了基体合金的抗氧化性能。见文献[10-12]：

[10]X.Y.Li,S.Taniguchi,Y.C.Zhu,K.Fujita,N.Iwamoto,Y.Matsunaga,K.Nakagawa,Oxidation behavior of TiAl protected by Si plus Nb combined ion implantation,Intermetallics,9(2001)443-449；

[11]S.Taniguchi,T.Kuwayama,Y.C.Zhu,Y.Matsumoto,T.Shibata,Influence of silicon ion implantation and post-implantation annealing on the oxidation behaviour of TiAl under thermal cycle conditions,Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing,277(2000)229-236；

[12]T.C.Munro,B.Gleeson,The deposition of aluminide and silicide coatings on gamma-TiAl using the halide-activated pack cementation method,Metallurgical and Materials Transactions a-Physical Metallurgy and Materials Science,27(1996)3761-3772。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于钛合金高温防护的Al-Si共渗涂层及其制备 方法，解决α-Ti₃Al，γ-TiAl和O相Ti₂AlNb合金的高温氧化问题。该涂层成分为Ti(Al,Si)₃，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能。制备方法采用冷喷涂和热扩散处理，操作简便，易于控制，形成涂层质量高。

本发明的技术方案是：

一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层，涂层成分为Ti(Al,Si)₃，Si在涂层中均匀分布，涂层厚度在20μm以上。

所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层，涂层与基体完全呈现冶金结合。

所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层，涂层中还包含微量第三组元Cr或Nb，第三组元所占比列为0～8at％。

一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法，涂层选用Al-Si合金粉末，用冷气动力喷涂设备，其操作条件为温度100～600℃，压力0.3～3.0MPa，直接喷涂到钛合金基体上形成Al-Si共渗涂层。

所述的钛合金高温防护Al-Si共渗涂层的制备方法，喷涂后的涂层在100～800℃热扩散处理2～20h，随炉冷却后，生成Ti(Al,Si)₃的金属间化合物。

本发明的设计思想是：

冷喷涂是近年来发展起来的一门新兴涂层制备技术，与传统的热喷涂不同，它是在低温状态下，通过高速粉末颗粒撞击基体时的塑性变形所形成的涂层，因此冷喷涂特别适合对热和氧化敏感的粉末和基体涂层的制备。本发明综合铝和硅的有益作用，拟用冷喷涂Al-Si合金粉末，直接喷涂形成Al-Si涂层，随后通过热扩散形成Al-Si共渗金属间化合物涂层。该方法操作简便，易于控制，高温氧化实验表明该涂层具有很好地抗氧化性能，该技术在国内外未见报导。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明设计的涂层，对钛合金的高温防护包括高温氧化和环境脆化十分有效。

2.本发明涂层采用冷喷涂方法制备，原料采用Al-Si合金粉末，喷涂到基体上后经过热扩散处理，制备出目标涂层。涂层成分容易控制，操作简单。

3.本发明采用冷喷涂方法制备涂层，对基体合金没有影响。

4.本发明成本较低。

附图说明

图1为冷喷涂和热扩散处理后制备的Ti(Al,Si)₃涂层截面形貌图。

图2为Ti(Al,Si)₃涂层中硅元素分布图。

图3为Ti(Al,Si)₃涂层900℃、500h氧化动力学曲线。

具体实施方式

在具体实施方式中，本发明钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法，选用Al-Si合金粉末，用冷气动力喷涂设备，其操作条件为温度100～600℃(优280～320℃)，压力0.8～3.0MPa(优选为2.0～2.5MPa)，直接喷涂到钛合金基体上形成Al-Si共渗涂层；随后，在300～800℃热扩散处理2～20h后，Al和Si共同渗入钛合金，制备出主要成分为Ti(Al,Si)₃的Al-Si共渗涂层。涂层成分为Ti(Al,Si)₃，Si在涂层中均匀分布，Al,Si的原子比范围为12：1～5：1。该涂层孔隙率低，与基体相容性、结合力好，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能，可以很好地解决钛合金高温氧化问题。

本发明中，冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号：01128130.8，授权公告号：CN1161188C)提到的一种冷气动力喷涂装置。

本发明中，钛合金Al-Si共渗涂层的成分为Ti(Al,Si)₃，涂层厚度在20μm以上，其中硅在涂层中均匀分布。涂层与基体呈现冶金结合，钛合金Al-Si共渗涂层的厚度一般在20～100μm。另外，涂层中还可以包含微量第三组元Cr或Nb，第三组元所占比列为大于0至8at％(优选为2～2.5at％)。在制备钛合金Al-Si共渗涂层时，原料Al-Si合金粉末的粒度范围为2～50μm。

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

实施例1

将粒度为5～30μm的Al-20Si合金粉末，用冷喷涂设备在在γ-TiAl基体合金上沉积涂层，操作温度300℃，操作压力1.8MPa；随后在750℃热处理12h，随炉冷却，制备出Ti(Al,Si)₃涂层，涂层厚度100μm，硅在涂层中均匀分布。

如图1所示，涂层由Ti(Al,Si)₃单相组成，涂层与基体之间呈现冶金结合。如图2所示，硅元素在涂层中呈现均匀分布。如图3所示，TiAl基体合金氧化增重非常迅速，表明基体合金在高温氧化过程中生成不具有保护性的氧化膜；而Ti(Al,Si)₃涂层的增重缓慢，大大降低了基体合金的氧化速率，表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为：涂层在900℃下等温氧化500h后增重小于2.0mg/cm²。

实施例2

将粒度为5～30μm的Al-12Si合金粉末，用冷喷涂设备在在Ti-22Al-26Nb基体合金上沉积涂层，操作温度250℃，操作压力1.8MPa；随后在650℃热处理10h，随炉冷却，制备出Ti(Al,Si)₃/Al复合涂层，涂层厚度100μm。实验结果表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为：涂层在900℃下等温氧化200h后增重小于1.5mg/cm²。

实施例3

将粒度为2～20μm的Al-10Si合金粉末，用冷喷涂设备在在γ-TiAl基体合金上沉积涂层，操作温度250℃，操作压力1.8MPa；随后在700℃热处理12h，随炉冷却，制备出Ti(Al,Si)₃涂层，涂层厚度100μm。实验结果表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为：涂层在900℃下循环氧化300次后增重小于3.0mg/cm²。

实施例4

将粒度为将粒度为5～30μm的Al-20Si合金粉末，用冷喷涂设备在在γ-TiAl基体合金上沉积涂层，操作温度250℃，操作压力2.0MPa；随后在600℃热处理24h，随炉冷却，制备出Ti(Al,Si)₃/Al复合涂层，Ti(Al,Si)₃占80％，Al占20％，涂层厚度80μm。实验结果表明该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为：涂层在900℃下循环氧化100次后氧化膜无剥落。

实施例5

将粒度为2～20μm的Al-10Si-2Cr合金粉末，用冷喷涂设备在在Ti-47Al-2Cr-2Nb基体合金上沉积涂层，操作温度300℃，操作压力1.8MPa；随后在700℃热处理12h，随炉冷却，制备出Ti(Al,Si)₃涂层，并且涂层中含有大约2at％Cr。实验结果表明，该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为：涂层在900℃下循环氧化300次后增重小于3.0mg/cm²。

实施例6

将粒度为5～30μm的Al-20Si-8Nb合金粉末，用冷喷涂设备在在Ti-22Al-26Nb基体合金上沉积涂层，操作温度350℃，操作压力1.8MPa；随后在650℃热处理10h，随炉冷却，制备出Ti(Al,Si)₃涂层，并且涂层中含有大约8at％Nb，涂层厚度80μm。实验结果表明，该涂层具有很好地抗高温氧化性能。本实施例的性能指标为：涂层在900℃下等温氧化200h后增重小于1.5mg/cm²。