一种TiAl3／Al2O3复合粉末及其制备方法和应用与流程

本发明涉及钛合金高温防护涂层制备技术，具体为一种TiAl₃/Al₂O₃复合粉末及其制备方法和应用。

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,and H.Kestler,Processing and Applications of Intermetallicγ‐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，传统的制备铝化物涂层的方法主要有：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，采用这些方法形成的铝化物涂层都是由向内扩散的铝和基体反应生成的。这些铝化物涂层虽然在一定程度上提高了基体的抗氧化性能，但其依然存在不足，一方面涂层脆性较高，易产生裂纹；另一方面是高温氧化过程中涂层与基体互扩散导致涂层退化速度快，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 Improvement of 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。

因此，如何解决铝化物涂层中上述存在的两个问题是进一步提高涂层性能的关键。TiAl₃/Al₂O₃复合涂层内存在大量惰性的Al₂O₃，其可以作为涂层与基体之间的扩散障，从而降低涂层在高温下的退化速度；此外复合涂层是由颗粒组成的，与传统的铝化物涂层组织不同，这种组织在一定程度上可以提高涂层的抗裂纹扩展能力。

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TiAl₃/Al₂O₃复合粉末及其制备方法和应用，解决α-Ti₃Al、γ-TiAl和O相Ti₂AlNb合金的高温氧化问题。该复合粉末及涂层成分为TiAl₃和Al₂O₃，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，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TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，复合粉末成分为TiAl₃和Al₂O₃，粒径为10～80μm，且Al₂O₃在复合粉末中均匀分布。

所述的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末的制备方法，选用纯Al和纳米TiO₂粉末以质量比3:1～1:1之间高能球磨混合1～4h，混合后的粉末在300～800℃热扩散处理2～20h，随炉冷却后生成TiAl₃/Al₂O₃复合粉末。

所述的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末的应用，选用所制备的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，采用冷气动力喷涂技术，操作条件为温度100～700℃，压力0.3～5.0MPa，直接喷涂到钛合金基体上形成复合涂层。

所述的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末的应用，Al₂O₃在复合涂层中均匀分布。

所述的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末的应用，复合涂层与基体呈现机械咬合，结合力良好。

所述的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末的应用，复合涂层成分与复合粉末成分相同，涂层厚度在10μm以上。

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。本发明用高能球磨Al/TiO₂混合粉末及热处理制备TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，而后直接冷喷涂所制备的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，形成TiAl₃/Al₂O₃复合涂层。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.本发明制备的复合粉末及涂层，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.本发明复合粉末采用高能球磨混合粉末及其热处理方法制得，所制备的复合粉末两相分布均匀，成分容易控制。

3.复合涂层采用冷喷涂方法制备。喷涂过程中无氧化，无相变，涂层成分与复合粉末保持一致，操作过程简单。

4.本发明采用冷喷涂方法制备涂层，对基体合金没有影响。

附图说明

图1为制备的TiAl₃/Al₂O₃复合粉末形貌。

图2为冷喷涂制备的TiAl₃/Al₂O₃复合涂层截面形貌。

图3为TiAl₃/Al₂O₃复合涂层900℃氧化60h后涂层与基体界面形貌。

具体实施方式

在具体实施方式中，本发明TiAl₃/Al₂O₃复合粉末及其涂层的制备方法，首先选用纯Al和纳米TiO₂粉末以一定比例高能球磨混合一定时间，而后热处理制得TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，而后用冷气动力喷涂的方法在温度100～700℃(优选为550～600℃)，压力0.3～5.0MPa(优选为1.8～2.5MPa)的条件下，将制得的复合粉末喷涂到钛合金基材上形成TiAl₃/Al₂O₃复合涂层。涂层成分为TiAl₃和Al₂O₃，其中Al₂O₃在涂层中分布均匀，涂层厚度在10μm以上。该制备方法操作简单，成分容易控制，所获涂层孔隙率低，与基体相容性、结合力好，具有较好的抗高温氧化性能，可以大大降低涂层与基体的互扩散，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)提到的冷气动力喷涂装置。

本发明TiAl₃/Al₂O₃复合粉末及涂层成分为TiAl₃和Al₂O₃，涂层厚度在10μm以上，其中Al₂O₃在涂层中均匀分布。复合粉末的粒径一般在10～80μm，且Al₂O₃在复合粉末中均匀分布。复合涂层的厚度一般在10～60μm，复合涂层与基体以机械咬合的方式结合，结合力良好。

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的纯Al粉和纳米TiO₂粉末以质量比3:1混合后高能球磨2h，高能球磨后的粉末在650℃热处理10h，制备出TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，用冷喷涂设备在γ-TiAl基体合金上沉积制备的复合粉末，操作温度500℃，操作压力1.8MPa，涂层厚度20μm，复合涂层中两相分布均匀。

如图1所示，复合粉末颗粒尺寸在30～80μm。如图2所示，复合涂层厚度约为20μm，与基体结合良好。如图3所示，复合涂层在经过高温氧化后与基体的互扩散被明显地减弱。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2

将粒度为5～30μm的纯Al粉和纳米TiO₂粉末以质量比2:1混合后高能球磨1h，高能球磨后的粉末在750℃热处理10h，制备出TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，用冷 喷涂设备在γ-TiAl基体合金上沉积制备的复合粉末，操作温度600℃，操作压力2.0MPa，涂层厚度30μm。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500h后增重小于2.5mg/cm²。

实施例3

将粒度为5～30μm的纯Al粉和纳米TiO₂粉末以质量比1:1混合后高能球磨2h，高能球磨后的粉末在850℃热处理10h，制备出TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，用冷喷涂设备在Ti-22Al-26Nb基体合金上沉积制备的复合粉末，操作温度500℃，操作压力1.8MPa，涂层厚度10μm。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次后增重小于2.0mg/cm²。

实施例4

将粒度为5～30μm的纯Al粉和纳米TiO₂粉末以质量比2.5:1混合后高能球磨2h，高能球磨后的粉末在750℃热处理12h，制备出TiAl₃/Al₂O₃复合粉末，用冷喷涂设备在γ-TiAl基体合金上沉积制备的复合粉末，操作温度650℃，操作压力2.0MPa，涂层厚度30μm。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200次后氧化皮无剥落。