[發明專利]一種鈦合金表面抗高溫氧化和耐磨損的氧化物梯度涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201210216709.6
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102732832A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 魏東博;張平則;姚正軍;周金堂;黃勇;繆強;梁文萍;魏祥飛;周鵬
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/34;C23C14/58
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀昌

技術領域

本發明屬于抗高溫氧化和耐磨損涂層的制備領域，特別涉及一種鈦合金表面抗高溫氧化和耐磨損的氧化物梯度涂層及其制備方法。?

背景技術

鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕等優點，廣泛應用于航空航天、海洋工程、石油化工、醫療衛生等領域。然而，鈦合金的抗高溫氧化能力較差。通常，鈦合金在500～800℃時即會出現嚴重的氧化剝落，力學性能急劇下降。這極大的限制了鈦合金的使用范圍。同時，鈦合金摩擦學性能較差，當用做滑動部件時，存在嚴重的粘著磨損和微動磨損傾向。

采用先進的表面工程技術手段,在鈦合金表面制備抗氧化、耐磨涂層是解決上述問題的有效方法之一。目前已取得一定研究成果的表面工程技術主要為預氧化處理、離子注入、激光熔覆、PVD等；但各方法均存在一定的問題，如預氧化處理形成的氧化保護膜較薄，離子注入表面深度較淺(≤5?μm)，激光熔覆表面易開裂，PVD工藝復雜、效率低等。共性的問題是上述的技術手段在鈦合金表面獲得的涂(鍍)層在高溫、循環應力的作用下，很容易剝落而失去防護效果。因此，如何有效提高鈦合金的抗高溫氧化性能和耐磨性，延長其服役時間，成為鈦合金應用中亟待解決的關鍵問題。

“雙輝等離子表面冶金技術”由于可以在較低溫度下(與傳統擴散涂層工藝比較)，快速制備與基體冶金結合的功能性涂層，用于鈦合金表面處理可一定程度上提升其抗高溫氧化性能和耐磨性能。圖1為雙輝等離子表面冶金裝置的原理圖：在一密封容器內,?設置陽極1（金屬外罩）、源極2(靶材)、陰極3（被處理工件）。在陽極、陰極間及陽極、源極間分別外接一個直流可調壓電源4。當爐內抽真空達一定值后,通入氬氣，先接通陰極（工件）電源,加一定電壓，清潔工件表面，再通上源極電源，則在陽極與陰極間、陽極與源極間分別出現輝光放電現象,?稱為雙層輝光放電。利用源極輝光濺射,?將其中原子或離子轟擊出來,?并高速飛向陰極(工件)?表面。同時利用陽極與陰極間的輝光放電,?使工件加熱、吸收擴散活性金屬原子(離子)?,?從而使工件表面形成一個含有靶材元素成分的涂層。

目前，采用雙輝等離子表面冶金技術提高鈦合金的抗氧化性能和耐磨性能已有一定的研究。如2005年6月出版的《中國工程科學》第7卷第6期中“雙輝等離子表面冶金技術的新進展”一文中總結了采用雙輝等離子表面冶金技術提高鈦合金抗高溫氧化性能和耐磨性能的研究進展。因此，采用雙輝等離子表面冶金技術可對鈦合金的耐磨性能和抗高溫氧化性能實現一定的提升。但由于現有的雙輝等離子表面冶金技術大多是在鈦合金表面采用雙輝等離子表面冶金技術將Al、Cr、?Ni、Cu、Mo、W、C、Si等合金元素滲入達到耐磨、抗氧化的性能。這些雖可以實現與基體的冶金結合，得到一定厚度的合金層，但單純的合金層對鈦合金的耐磨性和抗高溫氧化性能提升有限。特別是抗高溫氧化性能，高溫氧化時，單純的合金層存在一個被氧化為氧化物的過程，無法有效的阻隔氧的侵入，因此對鈦合金的高溫抗氧化性能提升有限。

離子滲氧技術是在鈦合金大氣壓下滲氧表面處理技術基礎上發展起來的新技術，由于可以實現直接在鈦合金表面制備出滲氧強化層，且工藝簡單，無污染而受到廣泛的關注。如：2002年2月出版的《北京科技大學學報》第24卷第1期中“鈦等離子滲氧”一文中公開了一種鈦表面高硬度的抗磨表面改性層的制備方法。目前，離子滲氧技術主要用于提升鈦合金的表面硬度和耐磨性能。由于鈦合金普遍具有較高的溶氧量，將離子滲氧技術直接用于鈦合金抗高溫氧化防護時極易引發“氧脆”現象，大幅降低鈦合金的力學性能。

發明內容

技術問題：針對鈦合金的抗高溫氧化性能和耐磨性差的缺點和現有技術存在的問題，本發明利用雙輝等離子表面冶金技術和離子滲氧技術為手段，提供一種鈦合金表面抗高溫氧化和耐磨損的多種氧化物體系梯度涂層及其制備方法，大幅提升鈦合金的抗高溫氧化性能和耐磨性能。

技術方案：一種鈦合金表面抗高溫氧化和耐磨損的氧化物梯度涂層，表面層為氧化膜層，由Al₂O₃、Cr₂O₃和NiO₂混合組成，中間層為Al-Cr-Ni合金層，涂層與基體間由Al-Cr-Ni-Ti互擴散層實現冶金集合。

所述涂層表面的Al₂O₃、Cr₂O₃和NiO₂氧化膜層厚4~6?μm，氧化膜含氧量從氧化膜表層由外向內梯度下降。氧化膜表面含氧量為20~30wt%，沿氧化膜深度方向逐漸連續下降至0~10wt%，期間無成分突變點。氧化膜組織致密，無空洞。