一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种涂层及其制备方法，具体涉及一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]TiAl合金具有低密度，较高弹性模量以及良好的高温强度等优点，在航空发动机工业有着良好的应用前景。但其高温抗氧化性能的不足无法满足实际应用的要求，因此发展适用于TiAl合金的高温防护涂层是其应用的重要前提之一。
[0003]目前人们针对γ-TiAl合金发展了渗铝涂层、MCrAlY包覆涂层、TiAlCr涂层及氮化物涂层。上述涂层都显著提高了TiAl合金的抗氧化性能，但存在以下缺点:1)渗铝涂层，制备涂层时易于出现贯穿性裂纹，氧化时可沿裂纹氧化，并产生横向开裂，影响其长期氧化性能和力学性能；2)MCrAlY涂层氧化过程中涂层与TiAl合金发生严重的互扩散，形成硬而脆的互扩散带，影响涂层体系的长期抗氧化性能；3)TiAlCr涂层靶材较脆，不易熔炼，且涂层沉积效率低;从附图1中可以观察到，氧化lOOhrs后TiAl基体和NiCrAlY涂层之间发生了明显的互扩散，形成硬而脆的互扩散带，形成裂纹，显著损害基材的力学性能;4)氮化物涂层内应力大且与TiAl合金基体相容性不好。
[0004]因此，如何在保证提高TiAl合金抗氧化性能的同时保证涂层与TiAl合金的界面匹配性及稳定性成为发展TiAl合金高温防护涂层的关键问题。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层及其制备方法，其涂层与TiAl合金界面相容性好，抗氧化性能优异，应变容限高。
[0006]本发明是一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层，包括AlSiY底层和YSZ陶瓷面层；AlSiY底层采用真空电弧镀制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理;柱状晶结构YSZ陶瓷面层采用电子束物理气相沉积方法制备，呈典型柱状晶结构。
[0007 ]上述的提高TiAl合金氧化抗力的涂层的制备方法，包括如下步骤:
[0008]一、采用真空电弧镀方法在TiAl合金基体表面制备20μπι左右的AlSiY涂层，然后在1010?1080°C进行真空扩散热处理2?4小时，制得扩散态AlSiY底层厚度为40?60μπι;
[0009]二、采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法，在AlSiY底层上制备YSZ陶瓷面层，陶瓷面层成分为6?8%Y203部分稳定的Zr02，采用离子清洗5?10分钟，利用电子束加热TiAl合金基体至800?850°C，所制备的陶瓷面层呈典型的柱状晶结构；
[0010]三、所制得的陶瓷面层在600?800°C进行空气稳定化退火4?20小时。
[0011]本发明的有益效果如下:
[0012](1)、采用真空电弧镀AlSiY涂层、后进行真空扩散热处理所制备的底层与TiAl合金界面相容性好，抗氧化性能优异，表面可以快速形成连续致密的A1203氧化膜。
[0013](2)、对扩散态AlSiY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，可以提高防护涂层界面结合力，改善YSZ陶瓷面层结构。
[0014](3)、采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的柱状晶结构YSZ陶瓷面层可以提高涂层的应变容限，提高防护涂层抗冷热循环能力。
[0015](4)、陶瓷面层制备过程中离子清洗、基体加热等技术有助于去除界面污染物，提高防护涂层界面结合力。
[0016](5)、陶瓷面层后处理有助于提高陶瓷面层的组织稳定性。
[0017](6)、所述防护涂层界面结合良好，抗氧化性能优异，应变容限高。
【附图说明】
[0018]图1为TiAl合金和NiCrAlY涂层恒温氧化100小时后的截面形貌；
[0019]图2为TiAl合金、扩散态AlSiY涂层、扩散态AlSiY底层+EB-PVDYSZ陶瓷面层试样在1000°C恒温氧化100小时的氧化动力学曲线；
[0020]图3为TiAl合金、扩散态AlSiY涂层、扩散态AlSiY底层+EB-PVDYSZ陶瓷面层试样在1000°C恒温氧化100小时后的宏观形貌；
[0021 ]图4为TiAl合金试样1000°C恒温氧化100小时后的表面形貌；
[0022]图5为扩散态AlSiY涂层的表面形貌；
[0023]图6为扩散态AlSiY涂层1000°C恒温氧化100小时后的表面形貌；
[0024]图7为扩散态AlSiY底层+EB-PVDYSZ陶瓷面层试样1000°C恒温氧化100小时后的截面形貌；
[0025]图8为扩散态AlSiY底层+EB-PVDYSZ陶瓷面层试样1000°C恒温氧化100小时后的线扫描结果。
【具体实施方式】
[0026]采用真空电弧镀方法在TiAl合金试样基体表面制备20μπι左右的AlSiY涂层，然后在1010?1080°C进行真空扩散热处理2?4小时，制得扩散态AlSiY底层厚度为40?60μπι。
[0027]对AlSiY底层进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干;湿吹砂工艺参数为:白刚玉砂粒度为180?280目，刚玉砂含量20%?35%，风压0.15MPa?0.25MPa，吹砂距离为180mm?350mm。
[0028]将上述试样安装到专用夹具上并用高温合金丝进行紧固。
[0029]将试样安装到装载室内，打开机械栗和罗茨栗，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别低于5X10—2Pa，lPa时开启两室之间的闸板阀，通入Ar气，对试样表面进行离子轰击清洗5?lOmin，目的是清除叶片表面污物，提高涂层与基体间的结合强度。
[0030]将离子清理后试样及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积。沉积YSZ面层工艺参数为:主真空室压强不大于5 X 10—2Pa，电子枪电压为17?20KV，靶材加热电流为1.5A，工件转速为15r/min，工件加热温度为800?850°C。
[0031]将沉积完YSZ陶瓷面层的试样放于马弗炉中进行600?800°C空气稳定化退火4?20小时。
[0032]从附图2可以看出，扩散态AlSiY涂层、扩散态AlSiY底层+EB-PVDYSZ陶瓷面层显著提高了 T iAl合金的抗氧化性能。
[0033]从附图3可以看出，TiAl合金试样氧化后表面氧化膜大量剥落，扩散态AlSiY涂层、扩散态AlSiY底层+EB-PVDYSZ陶瓷面层试样表面均光滑完整，无剥落现象;这说明涂层界面结合力良好，具有良好的抗冷热循环能力。
[0034]从附图4可以看出，TiAl合金试样氧化后形成层状氧化膜，且表面氧化膜大量剥落。
[0035]从附图5、6可以看出，扩散态AlSiY涂层试样氧化后表面氧化膜光滑完整，无剥落现象;这说明涂层具有良好的抗氧化能力。
[0036]从附图7、8可以看出，扩散态AlSiY底层与YSZ陶瓷面层界面处形成了一层连续致密的A1203氧化膜。
【主权项】
1.一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层，其特征在于，该涂层包括AlSiY底层和YSZ陶瓷面层;AlSiY底层采用真空电弧镀制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理;柱状晶结构YSZ陶瓷面层采用电子束物理气相沉积方法制备，呈典型柱状晶结构。2.—种如权利要求1所述的提高TiAl合金氧化抗力的涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 一、采用真空电弧镀方法在TiAl合金基体表面制备20μπι左右的AlSiY涂层，然后在1010?1080°C进行真空扩散热处理2?4小时，制得扩散态AlSiY底层厚度为40?60μπι; 二、采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法，在AlSiY底层上制备YSZ陶瓷面层，陶瓷面层成分为6?8% Y2O3部分稳定的Zr02，米用离子清洗5?10分钟，利用电子束加热TiAl合金基体至800?850°C，所制备的陶瓷面层呈典型的柱状晶结构； 三、所制得的陶瓷面层在600?800°C进行空气稳定化退火4?20小时。
【专利摘要】本发明涉及一种涂层及其制备方法，具体涉及一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层及其制备方法。本发明是一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层，包括AlSiY底层和YSZ陶瓷面层；AlSiY底层采用真空电弧镀制备，并进行高温扩散和湿吹砂处理；柱状晶结构YSZ陶瓷面层采用电子束物理气相沉积方法制备，呈典型柱状晶结构。本发明的提高TiAl合金氧化抗力的涂层与TiAl合金界面相容性好，抗氧化性能优异，应变容限高。
【IPC分类】C23C14/06, C23C14/30, C23C14/16, C23C14/32
【公开号】CN105463382
【申请号】CN201510812754
【发明人】程玉贤, 王博, 张艺馨, 张春刚, 刘礼祥
【申请人】沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月20日