一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法

本发明涉及材料表面防护涂层，特别提供了一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法。

背景技术：

1、钛合金具有密度小、比强度高、耐高温和耐腐蚀的优点是航空航天领域应用的重要金属材料。钛与氧的亲合势高，在高温下钛合金表面氧化生成的氧化钛生长极快，不具备保护性，严重影响钛合金的高温稳定性和使用寿命。目前，改善钛合金抗高温氧化性能的主要涂层方法有：渗铝，气相沉积和搪瓷涂层。其中，渗铝是普遍采用的方法。传统的渗铝工艺有固体粉末包埋渗铝、热浸渗铝、料浆渗铝和化学气相渗铝等。由于钛的高亲氧特性，钛合金表面天然存在钝化层，且固体粉末包埋渗铝期间钛合金极易进一步氧化，导致渗层可控性较差，且存在粉尘和产生有毒气体的危害，有孔零件清除渗剂困难等痼疾[参见文献：张新宇,刘译泽,秦家千,刘日平.一种锆钛基合金包埋渗铝层的制备方法[p].河北省：cn111647845b,2021-04-06.]。热浸渗铝同样存在渗层可控性差，表面粗糙，均匀性差，夹杂物多，蒸发有毒气体的缺点[参见文献：梅青松,马烨,刘明,李菊英,姚功铖,陈峰,李聪玲.一种钛合金表面液态扩渗铝复合涂层的制备方法[p].湖北省：cn105734486b,2018-05-29.]。化学气相渗铝中所使用的的alcl3前驱体具有较强的腐蚀性，会对生产设备和环境造成损害，极易造成设备泄露而引发钛合金氧化，导致渗铝过程不稳定。上述几种钛合金渗铝工艺不仅可控性不足、制备工艺污染环境，而且渗铝过程需要将样品长时间保温在较高温度，才能形成一定厚度的铝化物涂层，渗铝周期长、效率低，且易引入有害元素掺杂而恶化涂层性能。

2、针对现有钛合金渗铝工艺存在的环境污染严重、渗铝温度高、渗铝周期长、所得渗层质量差等问题，特发明一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，该方法综合利用了在真空中低能粒子与金属表面交互作用形成高密度空位并升高温度的原理和原子扩散速率随空位密度增加而指数增加的原理，采用高密度低能al等离子体轰击钛合金表面，在钛合金表层形成高密度空位缺陷，并在表层形成局部高温，实现al和合金化元素同时的快速扩散，达到快速高效清洁制备复合铝化物涂层。

技术实现思路

1、针对现有工艺存在的环境污染严重、渗铝温度高、渗铝周期长、所得渗层质量差等问题，现提供一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法。

2、一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于，制备步骤包括：

3、一、工件除油后放入真空室并抽真空；二、开启脉冲电场；三、通入特定惰性气体，在脉冲电场激发下，形成惰性气体等离子体，活化钛合金工件表面；四、开启铝等离子体源，形成高密度低能al等离子体，作用在钛合金工件表面上并形成tial、tial2、tial3相或其组合构成的铝化物涂层。

4、所述的真空室及真空，其特征在于，真空度范围为1.0×10-4pa～9.5×10-3pa；真空室漏率范围为1.0×10-5pa/s～1.5×10-4pa/s；负载电容5pf～2nf。

5、所述的脉冲电场，其特征在于，脉冲频率范围为5khz～60khz，电场电压范围-200v～-1000v，占空比为20％～50％。

6、所述惰性气体，其特征在于，包括但不限于氩气、氦气、氖气或上述气体组合，气压范围为0.8pa-10pa。

7、所述的铝等离子体源，其特征在于，其化学成分包括al、抗高温耐腐蚀组元和活性元素组元。

8、所述的抗高温耐腐蚀组元为cr、si、ta、re、ru和pt的一种或其组合，其原子比例小于或等于铝等离子体的30％。

9、所述的活性元素组元，其特征在于，是在1050℃条件下其氧化物形成焓低于三氧化二铬的化学元素，包括但不限于y、dy、hf、zr和ta等的一种或其组合；活性元素总量在铝等离子体的原子百分比小于或等于5％。

10、所述的高密度低能al等离子体，其特征在于，等离子体电流密度为1.0×104a/m2～5.0×104a/m2，阳离子能量为100-1000ev。

11、所述一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于，惰性气体等离子体活化时间为2min～30min，高密度低能al等离子体作用时间为10min～60min。

12、不仅有效解决了传统热扩散渗铝工艺固有的工艺周期长和环境污染等难题，达到绿色和高效制造的目的，并解决传统热扩散渗铝工艺固有的涂层中有害元素掺杂难题，能制造出合金元素改性和微量活性元素改性的高性能复合铝化物涂层，显著提升工件涂层性能。

13、本发明的优点：

14、本发明通过利用真空铝等离子体对钛合金表面进行轰击活化，使得钛合金表面形成大量空位缺陷，为元素扩散提供快速通道，快速形成高质量铝化物涂层。由于涂层制备为纯物理过程，避免了传统涂层制备依赖于化学反应的策略，因此，该工艺有效解决了传统渗铝工艺带来的有害元素掺杂和环境污染问题，大幅提升涂层质量和效率，构成一种绿色高效的钛合金铝化物涂层制备新方法。

技术特征：

1.一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于，制备步骤包括：一、工件除油后放入真空室并抽真空；二、开启脉冲电场；三、通入特定惰性气体，在脉冲电场激发下，形成惰性气体等离子体，活化钛合金工件表面；四、开启铝等离子体源，形成高密度低能al等离子体，作用在钛合金工件表面上并形成tial、tial2、tial3相或其组合构成的铝化物涂层。

2.根据权利要求1所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：所述的真空室及真空，真空度范围为1.0×10-4pa～9.5×10-3pa；真空室漏率范围为1.0×10-5pa/s～1.5×10-4pa/s；负载电容5pf～2nf。

3.根据权利要求1所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：所述的脉冲电场的脉冲频率范围为5khz～60khz，电场电压范围-200v～-1000v，占空比为20％～50％。

4.根据权利要求1所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：所述惰性气体包括但不限于氩气、氦气、氖气或上述气体组合，气压范围为0.8pa-10pa。

5.根据权利要求1所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：所述的铝等离子体源，其化学成分包括al、抗高温耐腐蚀组元和活性元素组元。

6.根据权利要求1所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法其特征在于：所述的高密度低能al等离子体，等离子体电流密度为1.0×104a/m2～5.0×104a/m2，阳离子能量为100-1000ev。

7.根据权利要求1所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：惰性气体等离子体活化时间为2min～30min，高密度低能al等离子体作用时间为10min～60min。

8.根据权利要求5所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：所述的抗高温耐腐蚀组元为cr、si、ta、re、ru和pt的一种或其组合，其原子比例小于或等于铝等离子体的30％。

9.根据权利要求5所述的钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于：所述的活性元素组元是在1050℃条件下其氧化物形成焓低于三氧化二铬的化学元素，包括但不限于y、dy、hf、zr和ta等的一种或其组合；活性元素总量在铝等离子体的原子百分比小于或等于5％。

技术总结
本发明涉及钛合金高温防护涂层技术领域，具体为一种钛合金表面复合铝化物涂层绿色高效制备方法，其特征在于，制备步骤包括：工件除油后放入真空室并抽真空；开启脉冲电场；通入特定惰性气体，在脉冲电场激发下，形成惰性气体等离子体，活化钛合金工件表面；开启铝等离子体源，形成高密度低能Al等离子体，作用在钛合金工件表面上并形成TiAl、TiAl<subgt;2</subgt;、TiAl<subgt;3</subgt;相或其组合构成的铝化物涂层。本发明有效解决了传统热扩散渗铝工艺固有的工艺周期长和环境污染等难题，达到绿色和高效制造的目的，并解决传统热扩散渗铝工艺固有的涂层中有害元素掺杂难题，能制造出合金元素改性和微量活性元素改性的高性能复合铝化物涂层，显著提升工件涂层性能。

技术研发人员：沈明礼,王伟,朱圣龙
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14