一种提高钛基合金抗高温氧化性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料抗高溫氧化领域，具体设及一种提高铁基合金抗高溫氧化性 能的方法。 技术背景
[0002] 铁侣合金具有密度低、比强度高、弹性模量高、高溫抗蠕变能力好等优点，是一种 极具应用前景的高溫材料，被应用于航空发动机高压压风机和满轮叶片等高溫零部件。然 而，铁侣合金的实际使用溫度被限制在750°CW下，由于在更高溫度下，铁和侣与氧的亲和 能力差不多，合金表面形成的是Ti化和Al2〇3混合层，氧化膜的生长速率很快，容易发生剥 落。
[0003] 为克服W上不足，国内外学者采用了合金化、离子注入法、表面涂层和阳极氧化等 方法改性来提高铁侣合金的服役溫度。合金设计主要包括两个方面，一是提高TiAl合金中 基本元素 A1的含量，运固然有利于其抗氧化性能的改善，但A1含量不宜太高，否则一旦析出 脆性的TiAh将影响其力学性能。二是通过加入第Ξ种或者多种合金元素，如:Nb，Sb，Si， Cr，Y，Mo等虽然也可有效改善TiAl合金的高溫抗氧化性能，但加入量过高通常会导致TiAl 合金力学性能下降。离子注入法虽然注入量可控、重复性较好，但设及的设备较昂贵、生产 效率较低，且对TiAl合金成分改变的深度仅局限在表面较浅的范围（<1皿)。而防护涂层，如 金属涂层Μ化A1(Y)，陶瓷涂层(如Si化、Ah化和化化等），W及扩散涂层（如Al、Si等）等虽然 可作为屏蔽层阻挡氧气向基体渗透，但各自仍存在一定的问题。金属涂层与基体间的互扩 散较严重，界面易析出硬脆相，同时产生柯肯达尔孔桐，严重降低了涂层与基体的结合强 度;陶瓷涂层内应力较大且与基体结合强度较低;扩散涂层与基体热膨胀系数相差较大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有铁侣合金抗高溫氧化能力不足，提供一种工艺简单、操 作方便、效率高、易于实现的提高铁基合金抗高溫氧化性能的方法，显著提高了铁基合金在 1000°C高溫下的抗氧化性能。
[000引一种提高铁基合金抗高溫氧化性能的方法，包括W下步骤：
[0006] 1)首先去除铁基合金基体的表面氧化物，然后清洗、干燥；
[0007] 2)采用离子注入法向经步骤1)处理后的铁基合金基体中注入特征离子;所述的特 征离子为化、Y、Nb、F、Cl离子中的一种或任意几种；
[000引 3)按照体积比为(50-100): (50-100): (1~10)将无水乙醇、水和前躯体娃酸烷基 醋混合，然后用酸调混合体系抑至2.0~6.0,室溫下揽拌2~4她，得到前躯体溶液；
[0009] 4)在两电极槽中加入配好的前躯体溶液，W注入了特征离子的铁基合金为阴极， 销片或石墨作为对电极，电极间距控制在1-lOcm，控制电流密度为-0.1 mAcnf2~-5. OmAcnfS 进行电沉积，沉积时间为30s~1000s，沉积完成后将工作电极水洗后于40~150°C烘干，从 而在铁基合金表面得到微纳米氧化物涂层；
[0010] 5)将覆盖有微纳米氧化物涂层的铁基合金在空气中于600~700°C下热处理10~ 60min，即在铁基合金表面得到抗高溫氧化涂层。
[0011] 进一步，所述的铁基合金为含侣的铁基合金。
[0012] 更进一步，所述的铁基合金选自 Tis-AUTi-AKTi-AbJi-eAl-AVJiAlNbJi- ATAl-SCr-SNb 中的一种。
[0013] 进一步，步骤1)中，可用砂纸将铁基合金基体打磨去除表面氧化物;清洗试剂可采 用丙酬、乙醇等，优选采用超声进行多次清洗。
[0014] 进一步，所述的娃酸烷基醋优选正娃酸乙醋（TE0S)、正娃酸甲醋（TM0S)中的一种 或两种的混合。
[001引进一步，步骤2)中，特征粒子的注入剂量化X 1015~1 X 1020cm-2。
[0016]更进一步，步骤2)所述的离子注入法具体按照如下操作:往经步骤1)处理后的铁 基合金基体中注入特征离子，注入能量为40-80keV，注入剂量为1 X l〇is~1 X lO^cm-2,注入 后将铁基合金在200~400°C下真空退火0.5~地。
[0017]进一步，步骤3)中，调节pH使用的酸可W为盐酸化C1)、硝酸化N03)或醋酸化Ac)， 浓度为〇.5mol · L-1 ~2.0mol · [1。
[001引进一步，步骤4)中，电流密度优选为-0.5mA · cnf2~-5.0mA · cnf2。
[0019] 进一步，步骤4)中，沉积时间优选为200s-600s。
[0020] 进一步，所述的方法由步骤1)~步骤5)组成。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0022] (1)首先向基体中注入一定浓度的特征离子，使该离子在高溫氧化过程中优先于 基体发生反应，形成保护性的氧化膜，与后续的电沉积二氧化娃膜层起到协同保护作用。
[0023] (2)本发明通过电沉积技术在铁基合金表面制备得到微纳米级氧化物（即Si〇2)涂 层，该微纳米氧化物涂层与基体存在化学键合作用，因而具有优异的结合力;然后经空气中 低溫(600~700°C)热处理，在该热处理过程中，氧化物可与基体中的Ti和A1元素发生固相 化学反应，在金属表面形成连续而致密的玻璃态保护层，该保护层可阻止空气中的氧向基 体扩散，同时阻止金属内部的阳离子向外扩散，进而提高铁基合金的抗高溫氧化性能。
[0024] (3)本发明工艺简单、操作方便、效率高、易于实现。
【附图说明】
[0025] 图1为1000°C恒溫氧化10化的动力学曲线（曲线1为裸TiAl合金，曲线2为根据实施 例4向TiAl合金中注入1 X l〇i8cnf2Cl离子后，在四乙氧基硅烷中-2 .OmAcnf2电流密度下电沉 积300s所得试样）。
[0026] 图2为实施例4制备的未经热处理的Si化涂层的扫描电子显微镜照片。
[0027] 图3为实施例4所得试样经1000°C恒溫氧化10化后的扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0028] 下面W具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限 于此：
[0029] 实施例1
[0030]首先用砂纸将铁侣合金试样(铁侣原子比为1:1)打磨去除表面氧化物，然后依次 在丙酬和乙醇中超声清洗lOmin，最后用热风吹干待用。在40keV能量下，向打磨清洗好的铁 侣合金试样（铁侣原子比为1:1)中注入1 X l〇i5cnf化1，注入后的试样经200°C下真空退火 地。依次往烧杯中加入50mL无水乙醇、50mL水、1血正娃酸乙醋（TEOS)，用0.5mol · 1-1肥1调 pH至2.0左右，室溫下揽拌化得到前躯体溶液待用。W前躯体溶液为电解液，W经过离子注 入的铁基合金作为阴极，石墨电极作为对电极，电极间距控制在1cm，控制电流密度为- 0.1mA · cnf2,沉积时间为1000s，沉积完成后将工作电极用去离子水冲洗后于40°C烘干，得 到微纳米氧化物涂层。随后，将该覆盖有微纳米氧化物涂层的铁基合金在空气中于600°C下 热处理60min，即制得抗高溫氧化涂层;采用1000°C恒溫氧化10化后单位面积的增重来评估 其抗高溫氧化性能，具体结果如表1。
[00引]表1实验结果
[0032]
[0034] 实施例2
[0035] 首先用砂纸将铁侣合金试样(铁侣原子比为1:1)打磨去除表面氧化物，然后依次 在丙酬和乙醇中超声清洗lOmin，最后用热风吹干待用。在80keV能量下，向打磨清洗好的铁 侣合金试样（铁侣原子比为1:1)中注入1 X l〇Wcnf2Cl，注入后的试样经400°C下真空退火 0.5h。依次往烧杯中加入lOOmL无水乙醇、lOOmL水、lOmL正娃酸乙醋（TEOS)，1. Omol · L- 1歷〇3调pH至6.0左右，室溫下揽拌化得到前躯体溶液待用。W前躯