一种钛合金铸锭表面玻璃涂层及其制备方法与流程

本发明属于钛合金高温防护和热加工技术领域，具体涉及一种钛合金铸锭表面玻璃涂层及其制备方法。

背景技术：

为了改变钛合金铸锭的铸造组织和得到必要尺寸的坯料，一般采用锻造方法对铸锭进行开坯。然而，钛合金铸锭在热加工过程中存在高温抗氧化难题。热加工过程中，首先须将铸锭加热至950℃～1100℃，且保温5h以上。由于钛与氧的亲合势高，且氧溶解度大(原子分数可达34％)，在高温氧化条件下，钛合金不可避免发生溶氧致脆和表面氧化问题，从而在铸锭表面生成疏松的氧化皮，并在氧化膜下方形成一层硬脆吸氧层。该硬脆吸氧层塑性差，极易在锻造过程中发生开裂。这些裂纹会严重影响钛合金铸锭的锻造成形，甚至使整个铸锭开裂报废，严重时可使锻造成品率降低10％以上，对钛合金铸锭的危害相较氧化更为严重。去除钛合金铸锭表面的氧化层不仅费力耗时，而且造成占投料量2.2％以上的钛合金损失，造成了巨大的经济损失。此外，钛合金铸锭表面硬脆吸氧层的形成让铸锭与模具之间摩擦力增大，这使得锻件成形变得困难，也不易脱模，缩短了模具的使用寿命。

为了减少钛合金铸锭在加热过程中的氧化消耗，延长模具的使用寿命，对铸锭施加保护和润滑涂层是一种有效方法。玻璃涂层自身具备非常高的化学和高温稳定性，不存在晶界等短路扩散通道，对氧的阻挡作用强；同时，玻璃涂层制备工艺简单，涂覆方便。玻璃涂层用作钛合金铸锭的高温保护涂层，既可以解决钛铸锭加热过程中的高温氧化问题，也能解决钛合金铸锭在锻造过程中的润滑问题；除此之外，玻璃涂层因其具有较低的导热系数，还能起到保温隔热的作用，从而保证钛合金在锻造过程中具有较低的变形抗力，进而很好地解决钛铸锭的表面抗氧化和锻造开裂问题。综上所述，玻璃防护润滑涂层是最合适的钛合金铸锭加热保护及锻造润滑涂层。

然而，随着钛合金铸锭热加工工艺的发展，部分钛合金的热处理温度已经高达1200℃，且热处理时间长达50h以上，单纯就抗氧化而言，现有钛合金的高温防护玻璃涂层体系均难以满足这一需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钛合金铸锭表面玻璃涂层。该玻璃涂层通过对原料玻璃基质成分和组成的设计调控，提高了玻璃基质的粘度和软化温度，进而提高了玻璃涂层的服役温度和高温稳定性以及与钛合金铸锭的结合性能，在钛合金铸锭表面形成连续完整且光滑、具有优异高温防护性能的玻璃涂层，解决了钛合金铸锭的表面抗氧化和锻造开裂问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛合金铸锭表面玻璃涂层，其特征在于，该玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质65％～95％，粘结剂5％～35％，添加物0％～30％；所述玻璃基质由以下质量百分数的原料制备而成：b2o35％～12％，al2o34％～20％，zro23％～8％，化合物k3％～9％，化合物m3％～11％，化合物n5％～15％，余量为sio2，所述化合物k为nio和/或cr2o3，所述化合物m为cao和/或bao，所述化合物n为kno3、na2co3和zno中的一种或两种以上。

本发明对玻璃涂层中的玻璃基质的成分进行设计调控，通过增加al2o3和化合物k即nio和/或cr2o的含量，提高了玻璃基质的粘度和软化温度，进而提高了玻璃涂层的服役温度；通过添加zro2有效控制了玻璃基质的高温晶化行为，提高了玻璃涂层的高温稳定性，同时有助于提高玻璃涂层的热膨胀系数，从而与钛合金铸锭形成良好的热膨胀系数匹配，进一步提高了两者的结合性能；通过添加适量碱土金属氧化物即化合物m，以及碱金属化合物即化合物n，提高了玻璃涂层的成膜性能，增强了玻璃涂层与钛合金铸锭的界面结合性能，从而在钛合金铸锭表面形成连续完整且光滑的玻璃涂层；另外，通过玻璃涂层中的添加物进一步提升玻璃涂层的抗氧化能力。本发明的钛合金铸锭表面玻璃涂层具有优异的高温防护性能，能在1250℃及以下热处理温度下为钛合金铸锭提供抗氧化防护，且在1200℃对钛合金铸锭的高温防护寿命不低于50h；另外，本发明的钛合金铸锭表面玻璃涂层在钛合金铸锭锻造过程中起到润滑作用，进而很好地解决钛铸锭的表面抗氧化和锻造开裂问题。

上述的一种钛合金铸锭表面玻璃涂层，其特征在于，所述玻璃基质的制备过程为：将所有原料放置于球磨机中球磨混匀，然后在1450℃～1600℃的温度条件下熔炼4h～10h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机进行球磨，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。优选先在高温下熔炼、再采用水淬球磨法制备玻璃粉末，有利于玻璃基质中各组分的均匀分布，同时得到粒度较小的玻璃粉末。

上述的一种钛合金铸锭表面玻璃涂层，其特征在于，所述粘结剂为黏土和/或水玻璃；所述黏土为三级以上的煅烧高岭土，黏土的质量百分数为5％～20％；所述水玻璃为模数不低于3、质量浓度不低于40％的硅酸钾水玻璃，硅酸钾水玻璃的质量百分数为20％～35％。当涂覆玻璃涂层的钛合金铸锭的热处理温度较高(＞1000℃)时，优选采用上述黏土作为粘结剂，避免了玻璃基质粘度的降低，从而玻璃涂层在高温下仍具有良好的抗氧化性；当钛合金铸锭的热处理温度较低(≤1000℃)时，优选上述水玻璃作为粘结剂，有效粘结玻璃基质和添加物，易于制备玻璃涂层。

上述的一种钛合金铸锭表面玻璃涂层，其特征在于，所述添加物为氧化硅、氧化铝、莫来石中的一种或两种以上；所述添加物的粒度小于10μm。上述优选的添加物能够在高温条件下溶解于玻璃基质中，从而提高了玻璃涂层中玻璃网格的完整性、保证了玻璃涂层的粘度及抗氧化能力；而粒度小于10μm的添加物在高温条件下在玻璃基质中的溶解速度更快，在较少添加量的条件下即可实现显著提升涂层软化点的效果，同时，该添加物有利于增强玻璃涂层自身的强度，从而提高玻璃涂层的抗热震剥落能力。

另外，本发明还提供了一种制备钛合金铸锭表面玻璃涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对钛合金铸锭表面进行清理，去除钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂；

步骤二、将玻璃基质、粘结剂和添加物放置于球磨机中进行球磨混合均匀，得到复合料浆；

步骤三、将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的钛合金铸锭表面，经干燥后在钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的钛合金铸锭放置于马弗炉中进行热处理，在钛合金铸锭表面形成玻璃涂层。

本发明将玻璃涂层的组成原料和分散剂球磨混匀后形成复合浆料，然后预置于经清理后的钛合金铸锭表面，依次经干燥和热处理，在钛合金铸锭表面形成玻璃涂层。该方法工艺简单，易于操作，能够快速在表面状态差(即表面存在氧化皮和凹凸不平、裂缝等缺陷)的钛合金铸锭表面制备涂层，适用于尺寸大的钛合金铸锭，适宜工业化生产。

上述的方法，其特征在于，步骤一中对经清理后的钛合金铸锭表面进行打磨、预氧化或喷砂处理。通过上述处理可进一步提高玻璃涂层与钛合金铸锭表面的界面结合能力。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述球磨混合均匀过程中加入纯净水作为分散剂，所述分散剂的体积为玻璃基质、粘结剂、添加物总质量的2～10倍，其中，体积的单位为ml，质量的单位为g。纯净水分散剂的价格低廉，可显著降低制备成本，适宜工业化生产。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述球磨混合均匀采用的转速为200r/min～400r/min，球磨混合均匀的时间为2h～5h。采用上述高速球磨有利于玻璃基质、粘结剂、添加物和分散剂的充分混合均匀，从而有利于在钛合金铸锭表面得到均匀的玻璃涂层，同时避免了长时间球磨降低各物料的颗粒尺寸，且有利于降低能耗。

上述的方法，其特征在于，步骤三中所述预置采用刷涂或气动喷涂的方式，所述气动喷涂的喷涂气压为0.2mpa～0.4mpa，喷涂距离为10cm～40cm；所述干燥的温度为20℃～200℃，所述热处理的温度为800℃～1250℃。采用刷涂方式能够在大型钛合金铸锭表面快速得到较厚的玻璃涂层，适合大型铸锭的快速涂刷；而采用气动喷涂方式能够在铸锭表面获得厚度相对均匀的玻璃涂层，由于复合料浆中的各组分存在着密度和尺寸差异性，通过限定复合料浆气动喷涂的喷涂气压和距离，减少了预置后预置层中各组分的变化，进一步保证了玻璃涂层的组成；优选的干燥温度有效去除玻璃涂层中的分散剂，保证了玻璃涂层的组成含量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过对玻璃涂层中玻璃基质成分和组成的设计调控，提高了玻璃基质的粘度和软化温度，进而提高了玻璃涂层的服役温度，同时有效控制了玻璃基质的高温晶化行为，提高了玻璃涂层的高温稳定性，并提高玻璃涂层的热膨胀系数，同时提高了玻璃涂层的成膜性能，增强了玻璃涂层与钛合金铸锭的界面结合性能，从而在钛合金铸锭表面形成连续完整且光滑的玻璃涂层。

2、本发明的钛合金铸锭表面玻璃涂层具有优异的高温防护性能，能在1250℃及以下热处理温度下为钛合金铸锭提供抗氧化防护，且在1200℃对钛合金铸锭的高温防护寿命不低于50h。

3、本发明在钛合金铸锭表面形成连续完整且光滑的玻璃涂层，从而在钛合金铸锭锻造过程中起到润滑作用，很好地解决钛铸锭的表面抗氧化和锻造开裂问题。

4、本发明工艺简单，易于操作，能够快速在表面状态差的钛合金铸锭表面制备涂层，适用于尺寸大的钛合金铸锭，适宜工业化生产。

5、本发明钛合金铸锭表面的玻璃涂层组分简单、安全无毒，对环境友好，且便于去除。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的带有预置层的tc17钛合金铸锭的光学照片。

图2为本发明实施例1表面形成玻璃涂层的tc17钛合金铸锭锻造后的光学照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例的tc17钛合金铸锭表面玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质65％，黏土5％，粒度均小于5μm的氧化铝和氧化硅30％,；所述黏土为三级以上的煅烧高岭土；

所述玻璃基质由以下质量百分数的原料熔炼制备而成：b2o35％，al2o34％，zro28％，cr2o39％，cao11％，kno35％，余量为sio2；所述玻璃基质的制备过程为：将b2o3、al2o3、zro2、cr2o3、cao、kno3和sio2放置于球磨机中球磨混匀，然后在1450℃的温度条件下熔炼4h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机在转速为500r/min的条件下进行球磨100h，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。

本实施例中玻璃涂层制备原料中的添加物还可为粒度均小于5μm的氧化铝和莫来石，或者粒度均小于5μm的氧化硅和莫来石。

本实施例的tc17钛合金铸锭表面玻璃涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一、对tc17钛合金铸锭表面进行清理，去除tc17钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂，然后进行打磨处理；

步骤二、将0.65kg玻璃基质、0.05kg黏土、总计0.30kg粒度均小于5μm的氧化铝和氧化硅与10kg纯净水放置于球磨机中，在转速为200r/min的条件下进行球磨混合均匀5h，得到复合料浆；

步骤三、采用刷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc17钛合金铸锭表面，经100℃干燥后在tc17钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的tc17钛合金铸锭放置于马弗炉中，在1250℃的温度条件下进行烧制，在tc17钛合金铸锭表面形成玻璃涂层。

将本实施例表面形成玻璃涂层的tc17钛合金铸锭在1160℃的温度条件下热处理50h，然后进行锻造。

图1为本实施例制备的带有预置层的tc17钛合金铸锭的光学照片，从图1可以看出，本实施例采用刷涂方式在tc17钛合金表面制备的玻璃涂层预置层表面平坦，晾干后预置层与tc17钛合金铸锭结合良好，无起皮现象。

图2为本实施例表面形成玻璃涂层的tc17钛合金铸锭锻造后的光学照片，从图2可以看出，本实施例表面形成玻璃涂层的tc17钛合金铸锭在经过1160℃热处理50h并进行锻造后未发生开裂，表面状态良好。

实施例2

本实施例的tc4钛合金铸锭表面玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质65％，水玻璃35％；所述水玻璃为模数3.5、质量浓度43％的硅酸钾水玻璃；

所述玻璃基质由以下质量百分数的原料熔炼制备而成：b2o312％，al2o320％，zro28％，nio3％，bao3％，na2co38％，余量为sio2；所述玻璃基质的制备过程为：将b2o3、al2o3、zro2、nio、bao、na2co3和sio2放置于球磨机中球磨混匀，然后在1600℃的温度条件下熔炼10h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机在转速为500r/min的条件下进行球磨100h，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。

本实施例的tc4钛合金铸锭表面玻璃涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一、对tc4钛合金铸锭表面进行清理，去除tc4钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂，然后进行喷砂处理；

步骤二、将0.65kg玻璃基质、0.35kg硅酸钾水玻璃与2kg纯净水放置于球磨机中，在转速为400r/min的条件下进行球磨混合均匀2h，得到复合料浆；

步骤三、采用刷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc4钛合金铸锭表面，经60℃干燥后在tc4钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的tc4钛合金铸锭放置于马弗炉中，在800℃的温度条件下进行烧制，在tc4钛合金铸锭表面形成玻璃涂层。

经检测，本实施例在tc4钛合金铸锭表面形成的预置层表面平坦，晾干后预置层与tc4钛合金铸锭结合良好，无起皮现象；本实施例表面形成玻璃涂层的tc4钛合金铸锭在经过800℃热处理10h仍保持玻璃涂层完整，且tc4钛合金铸锭无氧化现象。

实施例3

本实施例与实施例2的不同之处在于：采用气动喷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc4钛合金铸锭表面，所述气动喷涂的喷涂气压为0.4mpa，喷涂距离为40cm。

实施例4

本实施例的ta7钛合金铸锭表面玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质80％，黏土20％；所述黏土为三级以上的煅烧高岭土；

所述玻璃基质由以下质量百分数的原料熔炼制备而成：b2o312％，al2o312％，zro23％，cr2o36％，cao6％，bao3％，zno10％，余量为sio2；所述玻璃基质的制备过程为：将b2o3、al2o3、zro2、cr2o3、cao、bao、zno和sio2放置于球磨机中球磨混匀，然后在1500℃的温度条件下熔炼6h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机在转速为500r/min的条件下进行球磨100h，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。

本实施例的ta7钛合金铸锭表面玻璃涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一、对ta7钛合金铸锭表面进行清理，去除ta7钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂，然后在800℃温度下预氧化处理10min；

步骤二、将0.80kg玻璃基质、0.20kg黏土与5kg纯净水放置于球磨机中，在转速为300r/min的条件下进行球磨混合均匀4h，得到复合料浆；

步骤三、采用气动喷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的ta7钛合金铸锭表面，经20℃干燥后在ta7钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的ta7钛合金铸锭放置于马弗炉中，在850℃的温度条件下进行烧制，在ta7钛合金铸锭表面形成玻璃涂层；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3mpa，喷涂距离为30cm。

经检测，本实施例在ta7钛合金铸锭表面形成的预置层表面平坦，晾干后预置层与ta7钛合金铸锭结合良好，无起皮现象；本实施例表面形成玻璃涂层的ta7钛合金铸锭在经过850℃热处理50h后玻璃涂层无明显剥离，表面状态良好。

实施例5

本实施例的tc6钛合金铸锭表面玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质70％，水玻璃20％，粒度小于10μm的莫来石10％；所述水玻璃为模数3、质量浓度40％的硅酸钾水玻璃；

所述玻璃基质由以下质量百分数的原料熔炼制备而成：b2o38％，al2o312％，zro25％，cr2o34％，nio3％，bao7％，kno34％、zno5％、na2co36％，余量为sio2；所述玻璃基质的制备过程为：将b2o3、al2o3、zro2、cr2o3、nio、bao、kno3、zno、na2co3和sio2放置于球磨机中球磨混匀，然后在1500℃的温度条件下熔炼8h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机在转速为500r/min的条件下进行球磨100h，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。

本实施例的tc6钛合金铸锭表面玻璃涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一、对tc6钛合金铸锭表面进行清理，去除tc6钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂，然后进行打磨处理；

步骤二、将0.70kg玻璃基质、0.20kg硅酸钾水玻璃、总计0.10kg莫来石与8kg纯净水放置于球磨机中，在转速为350r/min的条件下进行球磨混合均匀2.5h，得到复合料浆；

步骤三、采用刷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc6钛合金铸锭表面，经20℃干燥后在tc6钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的tc6钛合金铸锭放置于马弗炉中，在800℃的温度条件下进行烧制，在tc6钛合金铸锭表面形成玻璃涂层。

实施例6

本实施例与实施例5的不同之处在于：采用气动喷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc6钛合金铸锭表面，所述气动喷涂的喷涂气压为0.2mpa，喷涂距离为10cm，所述干燥的温度为200℃。

经检测，本实施例在tc6钛合金铸锭表面形成的预置层表面平坦，晾干后预置层与tc6钛合金铸锭结合良好，无起皮现象；本实施例表面形成玻璃涂层的tc6钛合金铸锭在经过900℃热处理10h后玻璃涂层完整，且tc6钛合金铸锭无氧化现象。

实施例7

本实施例的tc11钛合金铸锭表面玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质65％，黏土8％，水玻璃22％，粒度均小于5μm的氧化铝、氧化硅和莫来石5％；所述黏土为三级以上的煅烧高岭土，所述水玻璃为模数3、质量浓度40％的硅酸钾水玻璃；

所述玻璃基质由以下质量百分数的原料熔炼制备而成：b2o35％，al2o34％，zro28％，cr2o39％，cao11％，kno32％、na2co33％，余量为sio2；所述玻璃基质的制备过程为：将b2o3、al2o3、zro2、cr2o3、cao、kno3、na2co3和sio2放置于球磨机中球磨混匀，然后在1450℃的温度条件下熔炼4h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机在转速为500r/min的条件下进行球磨100h，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。

本实施例所述玻璃基质原料中的化合物n还可为kno3和zno的组合，或者为na2co3和zno的组合。

本实施例的tc11钛合金铸锭表面玻璃涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一、对tc11钛合金铸锭表面进行清理，去除tc11钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂，然后进行打磨处理；

步骤二、将0.65kg玻璃基质、0.08kg黏土、0.22kg硅酸钾水玻璃、总计0.05kg粒度均小于5μm的氧化铝、氧化硅和莫来石与5kg纯净水放置于球磨机中，在转速为200r/min的条件下进行球磨混合均匀5h，得到复合料浆；

步骤三、采用刷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc11钛合金铸锭表面，经20℃干燥后在tc11钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的tc11钛合金铸锭放置于马弗炉中，在950℃的温度条件下进行烧制，在tc11钛合金铸锭表面形成玻璃涂层。

经检测，本实施例在tc11钛合金铸锭表面形成的预置层表面平坦，晾干后预置层与tc11钛合金铸锭结合良好，无起皮现象；本实施例表面形成玻璃涂层的tc11钛合金铸锭在经过950℃热处理10h后玻璃涂层完整，且tc11钛合金铸锭无氧化现象。

实施例8

本实施例的tc18钛合金铸锭表面玻璃涂层由以下质量百分数的原料制备而成：玻璃基质95％，黏土5％；所述黏土为三级以上的煅烧高岭土；

所述玻璃基质由以下质量百分数的原料熔炼制备而成：b2o312％，al2o312％，zro23％，cr2o36％，cao6％，bao3％，zno10％，余量为sio2；所述玻璃基质的制备过程为：将b2o3、al2o3、zro2、cr2o3、cao、bao、zno和sio2放置于球磨机中球磨混匀，然后在1500℃的温度条件下熔炼6h，经水淬后得到玻璃釉渣料并干燥，再采用球磨机在转速为500r/min的条件下进行球磨100h，得到粒度小于10μm的玻璃粉末。

本实施例的tc18钛合金铸锭表面玻璃涂层的制备方法包括以下步骤：

步骤一、对tc18钛合金铸锭表面进行清理，去除tc18钛合金铸锭表面的黏着物、浮灰以及油脂，然后在800℃温度下预氧化处理10min；

步骤二、将0.95kg玻璃基质、0.05kg黏土与5kg纯净水放置于球磨机中，在转速为300r/min的条件下进行球磨混合均匀4h，得到复合料浆；

步骤三、采用气动喷涂方式将步骤二中得到的复合料浆预置于步骤一中经清理后的tc18钛合金铸锭表面，经20℃干燥后在tc18钛合金铸锭表面形成预置层，然后将带有预置层的tc18钛合金铸锭放置于马弗炉中，在850℃的温度条件下进行烧制，在tc18钛合金铸锭表面形成玻璃涂层；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3mpa，喷涂距离为30cm。

经检测，本实施例在tc18钛合金铸锭表面形成的预置层表面平坦，晾干后预置层与tc18钛合金铸锭结合良好，无起皮现象；本实施例表面形成玻璃涂层的tc18钛合金铸锭在经过900℃热处理10h后玻璃涂层无明显剥离，表面状态良好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。