[發明專利]一種γ-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201210216710.9
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102732833A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 張平則;魏東博;姚正軍;周金堂;黃勇;繆強;梁文萍;周鵬;魏祥飛
• 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;B32B9/04;B32B15/04
• 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技術領域，具體涉及一種γ-TiAl合金表面抗高溫氧化和耐磨損涂層及其制備方法。

背景技術

γ-TiAl合金的比重約為鎳基高溫合金的50%，其主要高溫力學性能指標接近或優于鎳基高溫合金，但較鎳基高溫合金具有更高的比強度和比彈性模量。因此γ-TiAl合金是替代鎳基合金，應用于工業汽輪機、先進汽車或航空發動機高溫部件的新興重要減重材料。但γ-TiAl合金的一個重要缺陷是抗高溫氧化性能差，常壓高溫時(800～950℃)表面易出現連續氧化剝落；更為嚴重的是，在高溫、高壓、高速氣流沖刷的工況下，γ-TiAl合金會發生突然的氧化燃燒，從氧化開始到燃燒結束僅需4-20秒，在如此短的時間內采取滅火措施是不可能，這極大的限制了γ-TiAl合金的使用范圍。同時，γ-TiAl合金摩擦學性能較差，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γ-TiAl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等離子噴涂、離子注入、激光熔覆、PVD等；但各方法均存在一定的缺點，如離子噴涂涂層與基體結合性能差，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γ-TiAl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，研發新型制備工藝和防護涂層，有效提高γ-TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性，成為亟待解決的關鍵問題。

“雙輝等離子表面冶金技術”由于可以在相對較低溫度下(與傳統擴散涂層工藝比較)，快速制備與基體合金實現冶金結合的耐磨、防腐、抗高溫氧化等功能性涂層，近年來獲得廣泛的關注和研究。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γ-TiAl合金的抗高溫氧化性能和耐磨性能已有一定的研究。如2011年2月出版的《材料導報》第25卷第2期中“雙輝離子TiAl基合金表面Cr-Si共滲及改善其耐磨性能的研究”一文中公開了一種在γ-TiAl合金表面進行Cr-Si共滲的工藝。2009年2月出版的《中國腐蝕與防護學報》第29卷第1期中“TiAl表面抗高溫氧化涂層研究”一文中公開了TiAl合金表面雙層輝光離子滲?Cr層在?850℃的循環氧化行為。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。目前，大量文獻公開了在鈦合金或γ-TiAl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。因此，采用雙輝等離子表面冶金技術可對γ-TiAl合金的耐磨性能和抗高溫氧化性能實現一定的提升。但由于現有公開的研究大多是在γ-TiAl合金表面制備一定厚度的合金層，其雖可以實現與基體的冶金結合，但單純的合金層對γ-TiAl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；同時，由于γ-TiAl合金較高的使用溫度(＞700℃)，單純合金層的高溫防護能力不足。因此，單獨使用雙輝等離子表面冶金技術對γ-TiAl合金的高溫抗氧化性能和摩擦性能提升有限。

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。同時，由于γ-TiAl合金極高的溶氧量，若將離子滲氧技術直接用于γ-TiAl合金抗高溫氧化防護時極易引發“氧脆”現象，大幅降低γ-TiAl合金的力學性能。

發明內容