一种钛铝基合金表面防护涂层及其制备方法与流程

本发明属于金属材料表面工程技术领域，尤其涉及一种钛铝基合金表面防护涂层及其制备方法。

背景技术：

钛铝基合金是一种新型的轻质高温结构材料，具有低密度、高比强度、优异的高温蠕变性能等优点，应用于航空领域对减轻飞机重量，提升飞机性能具有重要意义。但是当钛铝基合金的使用温度超过650°c时，tio2与al2o3的形成自由能接近，在氧化过程中发生选择氧化，而tio2的形成速度要大于al2o3的形成速度，所以在钛铝基合金形成了tio2与al2o3的混合氧化膜，大量tio2的掺杂会导致表面氧化膜结构的疏松，于是在高温状态下表面无法形成连续致密的al2o3氧化膜，这就导致在氧化过程中，表面疏松的混合氧化膜无法阻止氧、氯原子及其他有害原子向基体扩散渗透，氧化膜容易剥落，钛铝基合金表面氧化十分严重，抗高温氧化性能及耐腐蚀性能不足。由于钛铝基合金应用在航空领域，苛刻的使用环境迫使其高温抗氧化性能、耐腐蚀性能及耐磨性能还需进一步提高。

目前工业上一般采用以下几种方法进行表面涂层处理或表面改性：采用溅射沉积的方法制备合金涂层；利用所需合金元素的气态反应剂或者液态反应剂蒸气在一定的温度下发生化学反应，反应产物在衬底表面形成沉积薄膜；将高能量的离子束注入材料，改善被注入区域材料的成分、结构及性能达到表面改性的目的。但上述的技术手段所形成的改性层与基体的结合强度较差，很容易剥落而失去防护效果，并且很多技术手段成本高，要求待加工的工件尺寸、形状有一定限制，因此上述技术手段存在很大的局限性。

技术实现要素：

本发明提供了一种钛铝基合金表面防护涂层及其制备方法，能在钛铝基合金表面制备耐腐蚀、耐高温、抗氧化的涂层，该方法工艺简单，生产成本低，并且能适用于任何形状、任何尺寸零部件。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛铝基合金表面防护涂层，该钛铝基合金表面防护涂层为ta-w合金涂层，合金涂层中自表及里ta、w呈梯度分布，按质量百分比计算为：75%-95%的ta；5%-25%的w。

作为优选的技术方案，该钛铝基合金表面防护涂层按质量百分比计算为：85%-90%的ta；10%-15%的w。

上述钛铝基合金表面防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1000#-1200#，然后用体积比为3:1-4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；

（2）将上述处理好的钛铝基合金和ta-w靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，以钛铝基合金为工件极，以ta-w靶材为源极，调节两极之间的间距为15mm-25mm；

（3）对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa-1.0pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为800v-950v，工件电压为450v-550v，工作气压为30pa-40pa，工作时间为2h-4h；

（4）停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；

（5）将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃-400℃，退火时间2h-3h。

以上步骤中所述的ta-w靶材为ta-w合金靶材或ta-w混合靶材，ta-w合金靶材的形状为圆柱状或长方体，圆柱状ta-w合金靶材高度为5-10mm，直径为30-45mm，长方体ta-w合金靶材尺寸为长3-5mm×20-25mm×65-85mm。所述的ta-w混合靶材形状为长方体，尺寸为3-5mm×20-25mm×65-85mm。所述长方体ta-w合金靶材与ta-w混合靶材的排列方式为格栅状，排列间距为5-10mm。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种钛铝基合金表面防护涂层及其制备方法，充分利用了双辉等离子表面冶金技术的特点，结合ta与w元素性能特点从图4可以看出，ta-w合金涂层由沉积层和扩散层组成，沉积层厚度为4-5微米，扩散层厚度为5-6微米，涂层与基体之间实现冶金结合，增强了涂层与基体之间的结合，且可按照预期设计调控合金元素的分布与含量，实现了对钛铝基合金表面的改性处理，制备的ta-w合金涂层提高了钛铝基合金的耐腐蚀，耐摩擦，高温抗氧化性能，扩大了其使用范围，延长了其使用寿命，并达到节约能源资源、降低成本的目的。

附图说明

图1为ta-w合金靶材格栅状排列示意图；

图2为ta-w混合靶材格栅状排列示意图；

图3为ta-w合金靶材圆柱状示意图；

图4为γ-tial合金表面ta-w涂层电镜图。

具体实施例

实施例1

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1000#，然后用体积比为3:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为78%，w含量为22%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为15mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为800v，工件电压为450v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为75%，w含量为25%的ta-w合金涂层。

实施例2

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1000#，然后用体积比为3.5:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为79%，w含量为21%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为15mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为800v，工件电压为450v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为77%，w含量为23%的ta-w合金涂层。

实施例3

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为80%，w含量为20%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为25mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为78%，w含量为22%的ta-w合金涂层。

实施例4

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为81%，w含量为19%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为25mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为80%，w含量为20%的ta-w合金涂层。

实施例5

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为82%，w含量为18%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为25mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为81%，w含量为19%的ta-w合金涂层。

实施例6

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为83%，w含量为17%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为25mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为82%，w含量为18%的ta-w合金涂层。

实施例7

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为86%，w含量为14%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为25mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.2pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为87%，w含量为13%的ta-w合金涂层。

实施例8

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为85%，w含量为15%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为18mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.3pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为30pa，工作时间为2h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度300℃，退火时间2h，得到ta含量为85%，w含量为15%的ta-w合金涂层。

实施例9

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为88%，w含量为12%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为20mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为0.5pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为900v，工件电压为500v，工作气压为35pa，工作时间为3h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度350℃，退火时间3h，得到ta含量为90%，w含量为10%的ta-w合金涂层。

实施例10

首先对钛铝基合金表面进行研磨并抛光至1200#，然后用体积比为4:1的乙醇和丙酮制备的清洗剂超声清洗后烘干；将处理好的钛铝基合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面冶金渗金属炉内，ta-w合金靶材中按质量百分比计算ta含量为98%，w含量为2%，以钛铝基合金为工件极，以ta-w合金靶材为源极，调节两极之间的间距为25mm；对双辉等离子表面冶金渗金属炉进行抽真空至气压为1pa，通入氩气，启动辉光，控制源极电压为950v，工件电压为550v，工作气压为40pa，工作时间为4h；停止辉光，断电，完成钛铝基合金表面ta-w共渗；将上述所得合金涂层放入真空炉进行退火处理，退火温度400℃，退火时间3h，得到ta含量为95%，w含量为5%的ta-w合金涂层。

实施例11

首先将γ-tial合金和ta-w混合靶材装入双辉等离子表面合金化装置中，以γ-tial为工件极，以ta-w靶材为源极，ta-w混合靶材成分配比为：ta靶材ta含量占100wt%，w靶材w含量占100wt%；然后抽真空至极限真空度，送入氩气，启动辉光，调试工艺参数至如下值：靶材电压为800v，工件电压为450v，氩气气压为35pa，靶材与工件间距为15mm；4小时后停止辉光，断电，完成钛铝基合金ta-w共渗。对制备所得复合涂层进行相关性能进行测试，其表面硬度为837hv0.3；在载荷为530g的条件下测试其耐磨性，比磨损率为0.1326×10^-3mm³n^-1m^-1，为基体的1/5；在3.5%nacl溶液体系中，其自腐蚀电位ecorr和自腐蚀电流密度icorr为-0.118v和1.002×10-3a/cm²；在500°c环境中经100h氧化后，复合涂层的增重为1.07mg/cm²，仅为基体的1/6。

实施例12

首先将γ-tial合金和ta-w合金靶材装入双辉等离子表面合金化装置中，以γ-tial为工件极，以ta-w合金靶材为源极，其中ta-w合金靶材成分配比为：ta占90wt%，w占10wt%；抽真空至极限真空度，送入氩气，启动辉光，调试工艺参数至如下值：靶材电压为850v，工件电压为500v，氩气气压为35pa，靶材与工件间距为15mm；4小时后停止辉光，断电，完成钛铝基合金ta-w共渗。对制备所得复合涂层进行相关性能进行测试，其表面硬度为856hv0.3；在载荷为530g的条件下测试其耐磨性，比磨损率为0.1279×10^-3mm³n^-1m^-1，为基体的1/5；在3.5%nacl溶液体系中，其自腐蚀电位ecorr和自腐蚀电流密度icorr为-0.109v和1.01×10^-3a/cm²；在500°c环境中经100h氧化后，复合涂层的增重为1.42mg/cm²，仅为基体的1/6。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。