专利名称：一种钛合金高温防护涂层及其制备方法
技术领域：
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涂层及其 制备方法，采用冷喷涂的方法制备TiAl3-Al复合防护涂层。
背景技术：
Ti-Al系合金，特别是a2-Ti3Al，Y-TiAl和0相Ti2AlNb基合金具有低密度、高弹性模量和优异的高温性能等特性，是极具希望的新型高温结构材料，在航空、航天工业中 具有广泛的应用前景[1]。然而高温氧化和环境脆化问题制约了这类合金的实际应用，见 文献[1]C. Leyens, Environmental Effects on Orthorhombic Alloy Ti_22Al_26Nb in Air between 650°C 1000°C，Oxidatin of Metals，52(5/6)(2000)474-503。Leyens 等 [1]研究表明650°C 1000°C之间，该合金次表层会逐渐形成氮化层和富氧区。氮化层在 近氧化层15 μ m左右区域内形成，而氧则不断扩散进基体，进而形成硬度升高区域，显微 硬度分析表明这一影响区域接近300 μ m。由于这种氧、氮引起的材料次表面层脆化，使合 金的高温力学性能严重降低，其实际服役温度大幅度降低(见文献[2])J. C. Williams: Intermetallics for Structural Applications :Potential, Reality and the Road Ahead, in ISSI-Structural Intermetallics, TMS, ffarrendale, PA. (1997)。为克月艮这种 环境因素导致的材料脆化问题，对合金施加防护涂层十分必要。对Ti-Al系合金防护涂层的研究多借鉴于镍基高温合金的防护技术，见文献 [3-8][3] S. G. warrier, S. krishnamurthy, P. R. Smith. Oxidation protection of Ti-Aluminide orthorhombic Alloys :An engineering Multilayer Approach. Metal Mater. Trans. 29A(1998) 1270-1288.；[4]R. Brawn,C. Leyens. Protective coatings on orthorhombic Ti2AlNballoys. Mater at High-Temp. 22(3/4)(2005)437-447.；[5]Q. M. Wang, K. Zhang, J. Gong et al. NiCoCrAlY Coating with and without an A1203/A1 Interlayer on an Orthorhomibic Ti2AlNb Based Alloy :0xidation and Interdiffusion Behaviors. Acta Mater. 55(2007) 1427-1431 ；[6]Z.L.Tang, F. H. Wang, W. T.ffu. Effect of MCrAlY Overlay Coatingson Oxidation Resistance of TiAl Intermetallies, Surf. Coat. Technol. 99(1998)248-252.；[7] S. Kim, D. Park, I. Kim, H Kim, K Park, Effect of Aluminising on High Temperature Oxidation Resi stance of TiAl Compounds. Mater.Sci.Technol., 14(1998)822.；[8]熊玉明，朱圣龙，王福会，带涂层的TiAlNb合金高温氧化行为，稀有金属材料 与工程，35 (2006) 213-216.。到目前为止，可用于Ti-Al系合金防护的材料大致可分为四类=(I)TiAlCr系涂层，涂层具有较好的抗氧化性能，存在的主要问题是涂层靶材加工非常困难，涂层制备复 杂，制备成本高；且涂层在循环氧化过程中会产生纵向裂纹，对合金的力学性能有影响； (2)氮化物涂层，如TiAlYN和TiAlYN/CrN，这类涂层在750°C表现出较好的抗高温氧化性 能，然而2000小时后涂层逐渐失效，同时该涂层对合金的高温蠕变性能影响较大；(3)搪瓷 涂层具有较高的热稳定性，与钛基合金相近的热膨胀系数以及低廉的成本，目前也有研究。 从研究结果看出，这类涂层虽然能够提高一定保护作用，但存在涂层与合金发生界面反应， 导致涂层结合力下降，涂层易剥落等问题。(4)NiCoCrAl加Al2O3Al阻挡层涂层体系。仅 能短期改善涂层与基体界面稳定性和抗氧化性能。总之，目前的涂层技术仍未能很好解决 钛铝系合金的高温防护问题。
冷喷涂是近年才发展起来的一门新兴表面处理技术，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与冷焊所形成的涂层，特别适合 对热和氧化敏感的粉末和基材涂层制备末。本发明拟直接采用Al、Ti和过渡族金属粉末为 原料，按一定比例机械混合后，直接喷涂形成复合涂层，随后通过反应扩散方法形成金属间 化合物涂层。这种方法操作方便，易于控制，高温氧化试验表明涂层具有很好的防护性能， 此技术国内外未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钛合金高温防护的涂层及其制备方法，解决0相 合金，Ti3Al合金和Y-TiAl基合金的高温防护问题。该涂层成分为TiAl3-Al复合涂层，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法，操作简便，易于控制，形成 涂层质量好。本发明的技术方案是一种钛合金高温防护涂层，涂层成分为TiAl3-Al复合涂层，涂层厚度大于100 μ m, 经热处理后形成TiAl3金属间化合物与剩余Al均勻分布，TiAl3占5 95at%，Al余量；优 选范围为=TiAl3占50 80at%，Al余量。本发明中，在涂层与合金基体之间有2 20 μ m的互扩散层。本发明中，钛合金高温防护涂层的厚度一般在100 300 μ m。另外，涂层成分还可以包括微量第三组元(如Fe、Mo或Mn)，第三组元所占的比例 为0 5at% (并且不为0)，第三组元在涂层中均勻分布。一种钛合金高温防护涂层的制备方法，涂层选用纯钛粉、铝粉按重量配比1 1 1 7机械混合均勻后，用冷喷涂技术，其操作条件为温度100 600°C，压力0. SMPa 3. OMPa，直接喷涂到钛合金基材上；随后经过热处理，300 700°C，热处理时间1 20h， 随炉冷却；经热处理后TiAl3与Al形成金属间化合物均勻分布。从而，制备出主要成分为 TiAl3-Al复合涂层。该涂层空隙率低，与基材相容性好，结合力强，很好的解决了钛合金高 温氧化和环境脆化问题。当涂层成分包括微量第三组元(如Fe、Mo或Mn粉)时，第三组元的添加量为总原 料粉量(纯钛粉、铝粉和第三组员之和)的0 5at% (并且不为0)。在制备钛合金高温防护涂层时，原料纯钛粉、铝粉和第三组元(如Fe、Mo或Mn粉) 的粒度范围分别为2 50 μ m。
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，和其它的(国外)冷喷涂设备。
本发明的有益效果是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，原料采用纯金属粉末，机械混合后，冷喷到基 材上，然后经过热处理，制备出目标涂层。涂层成分容易控制，操作简便，易于控制。3、本发明采用冷喷涂方法制备涂层，对基材没有影响，特别适合钛合金等对热敏 感的材料的涂层制备。4、本发明成本较低。
图1为冷喷涂制备TiAl3/Al复合涂层截面形貌图。图2为950°C循环氧化150循环后合金基体和带涂层合金努式显微硬度分析。
具体实施例方式实施例1将粒度分别为5 20 μ m的纯钛粉和铝粉按1 3重量比例机械混合48h，然后用 冷喷涂设备在Ti-22Al-26Nb基合金基体沉积涂层，操作温度250°C，操作压力1. SMPa ；随后 在630°C热处理5h，随炉冷却，制备的TiAl3/Al复合涂层，TiAl3占68at%，Al占32at%， 均勻分布，涂层厚度为150 μ m。 如图1所示，涂层由TiAl3/Al共同构成，涂层与合金基体之间有IOym(Ti，Nb) Al3 互扩散层。涂层在950°C表现出较好的抗高温氧化，粘附性和阻挡氧扩散性能。如图2所示，循环氧化150个循环后，基体合金由于氧扩散导致合金基体在很大范 围内显微硬度大幅升高，而加涂层后的合金基体只是在互扩散层下由于存在10 μ m左右的 富Nb相稍有升高外，基本没有受环境影响出现硬度增高现象。实验结果表明涂层防护效果 十分明显。实施例2将粒度分别为5 20 μ m的纯钛粉和铝粉按1 2重量比例机械混合48h，然后用 冷喷涂设备在TiAl基合金基体沉积涂层，操作温度250°C，操作压力1. SMPa ；随后在500°C 热处理10h，随炉冷却，制备了 TiAl3/Al复合涂层，TiAl3占79at%，Al占21at%，均勻分 布，涂层厚度为ΙΟΟμπι。另外，涂层与合金基体之间有6ym(Ti，Nb)Al3互扩散层。实验结 果表明涂层防护效果十分明显。实施例3将粒度分别为5 20 μ m的纯钛粉和铝粉按1 4重量比例机械混合48h，然后用 冷喷涂设备在Ti-22Al-26Nb基合金基体沉积涂层，操作温度300°C，操作压力1. OMPa ；随后 在630°C热处理20h，随炉冷却，制备了 TiAl3Al复合涂层，TiAl3占58%，Al占42at%，均 勻分布，涂层厚度为200 μ m。另外，涂层与合金基体之间有8ym(Ti，Nb)Al3互扩散层。实 验结果表明涂层防护效果十分明显。实施例4
将粒度分别为5 20 μ m的纯钛粉、铝粉和钼粉按1 3 0. 1重量比例机械混 合48h，然后用冷喷涂设备在Ti-22Al-26Nb基合金基体沉积涂层，操作温度180°C，操作压 力3. OMPa ；随后在600°C热处理8h，随炉冷却，制备了 TiAl3/Al复合涂层，TiAl3占65at%， Al占33at%，Mo占2at%，均勻分布，涂层厚度为110 μ m。另外，涂层与合金基体之间有 10 μ m(Ti，Nb) Al3互扩散层。实验结果表明涂层防护效果十分明显。实施例5将粒度分别为5 20 μ m的纯钛粉、铝粉按1 5重量比例机械混合48h，然后用冷喷涂设备在Ti-22Al-26Nb基合金基体沉积涂层，操作温度200°C，操作压力1. SMPa ；随后 在700°C热处理4h，随炉冷却，制备了 TiAl3/Al复合涂层，TiAl3占52at %，Al占48at %，均 勻分布，涂层厚度为130 μ m。另外，涂层与合金基体之间有9ym(Ti，Nb)Al3互扩散层。实 验结果表明涂层防护效果十分明显。
权利要求
一种钛合金高温防护涂层，其特征在于涂层成分为TiAl3-Al复合涂层，涂层厚度为大于100μm，经热处理后形成TiAl3金属间化合物与剩余Al均匀分布，TiAl3占5～95at％，Al余量。
2.按照权利要求1所述的钛合金高温防护涂层，其特征在于在涂层与合金基体之间 有2 20 iim的互扩散层。
3.按照权利要求1所述的钛合金高温防护涂层，其特征在于涂层成分还包括微量第 三组元Fe、Mo或Mn，第三组元所占的比例为0 5at%。
4.一种钛合金高温防护涂层的制备方法，其特征在于涂层选用纯钛粉、铝粉按重量 配比1 1 1 7机械混合均勻后，用冷喷涂设备，其操作条件为温度100 600°C，压力 0. 8MPa 3. OMPa，直接喷涂到钛合金基材上形成涂层。
5.按照权利要求1所述的钛合金高温防护涂层的制备方法，其特征在于涂层经过 300 700°C，时间1 20h热处理，随炉冷却后，生成的TiAl3金属间化合物与剩余A1在 涂层中均勻分布；从而，形成主要成分为TiAl3-Al的复合防护涂层。
全文摘要
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涂层及其制备方法。所述涂层选用纯Ti粉和Al粉按一定比例机械混合，用冷气动力喷涂的方法在温度100～600℃，压力0.8～3.0MPa的条件下，喷涂到钛合金基材上，经过热处理后，制备出主要成分为TiAl3-Al的复合涂层。涂层成分为TiAl3-Al复合涂层，涂层厚度为大于100μm，经热处理后形成TiAl3金属间化合物与剩余Al均匀分布。该涂层成分为TiAl3-Al复合涂层，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能；该制备方法操作简便，成分容易控制，所获涂层孔隙率低，与基材相容性好，结合力强，可很好地解决了钛合金高温氧化问题。
文档编号C23C24/04GK101838809SQ200910010729
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者吴杰, 孔令艳, 崔新宇, 李铁藩, 梁慎国, 沈莉, 熊天英, 金花子, 陶杰 申请人:中国科学院金属研究所