[發明專利]一種抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層及其制備工藝

有效

• 申請號: 201310362970.1
• 申請日: 2013-08-16
• 公開（公告）號: CN103469207A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 朱圣龍;李文波;陳明輝;王成;王福會
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23D5/02
• 分類號: C23D5/02;C03C10/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及無機高溫防護涂層技術，具體為一種可用于鈦合金和其他金屬材料零件的抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層及其制備工藝。

背景技術

鈦基合金因其具有較高的比強度，優良的高溫性能，廣泛應用于航天，航空，航海及軍事工業領域。但是，其抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能不足和氧脆現象限制了其在高溫環境中的實際應用。例如：Ti-6Al-4V和Ti60合金，最高使用溫度分別為300℃和600℃，在更高的溫度會出現劇烈氧化和氧脆現象，從而造成合金力學性能的下降。而以Ti-47Al-2Cr-2Nb為代表的TiAl金屬間化合物，其高溫強度可使其工作溫度達到800℃～900℃，但在此溫度范圍內氧化腐蝕嚴重，尤其是在熱腐蝕環境下，如：氯化鈉鹽和硫酸鈉鹽或者兩者混合的環境中，TiAl基合金會發生嚴重的熱腐蝕和力學性能的快速惡化。

傳統的高溫防護涂層包括：簡單滲鋁涂層、改性滲鋁涂層和NiCrAlY包覆涂層。這些涂層原本為鎳基高溫合金基體設計研制開發的，移植到鈦基合金上后出現了問題。NiCrAlY包覆涂層和TiAl基合金發生嚴重的互擴散，在涂層和基體的界面形成脆性相和大量孔洞。滲鋁涂層在鈦基合金表面生成一層脆性非常高的TiAl₃相，容易萌生裂紋。為鈦基合金新開發出的一種真空物理氣相沉積TiAlCr涂層，具有良好的氧化性能，但其抗熱腐蝕性能不足。此外，NiCrAlY包覆涂層和TiAlCr涂層均需要采取真空技術，制備成本較高。

有機高溫涂料的成膜物在高溫環境下易出現氧化降解和熱降解，限制了其使用溫度。水性富鋅涂料中含有大量的鋅粉，因此其使用溫度一般低于300℃。納米改性的有機硅基涂料耐溫可達到700℃，但因其納米顆粒成本較高，只限于應用于少量場合，且有機硅高溫熱分解后涂層力學性能下降，涂層易剝落。無機高溫防護涂層耐溫可達到1000℃，并通過添加氧化鋁、石英等陶瓷顆粒提高涂層的耐溫性，但單獨添加氧化鋁的涂層常因氧化鋁和玻璃基體的劇烈反應而多孔不致密，而單獨添加石英的涂層因熱膨脹系數與合金基體的不匹配容易在冷卻過程中萌生裂紋，或使得涂層在冷熱循環過程中從基體表面剝落，因此通常只是作為合金熱加工過程中的臨時性保護涂層。如：公開號為CN101314808A的中國發明專利申請，高溫防氧化涂層材料在冷卻過程會從鋼鐵基體表面自然剝落，因此不能夠作為長期抗氧化涂層使用。

玻璃-陶瓷涂層是廣泛應用的高溫防護涂層技術，通過調節玻璃成分和添加物陶瓷成分和比例，可控制其熱膨脹系數與基體的匹配性，具有良好的抗熱循環剝落性能。其缺點是玻璃成分的調節過程需要較長時間，需要有一個熔煉玻璃塊和磨釉料的工藝過程，而且熱膨脹系數優化與抗氧化耐腐蝕性能優化之間可能出現矛盾。

因此，研制開發出一種新型的、制備工藝簡單的、和鈦基合金基體具有良好的熱膨脹系數匹配性的、具備長期抗氧化耐腐蝕性能的高性能抗高溫防護涂層，對于鈦基合金和其他金屬制零件的高溫應用具有重要技術價值和應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層及其制備工藝，僅需使用市場可直接采購的原料制作，原料和涂層制備工藝過程無毒、無污染，玻璃陶瓷復合涂層具備長期抗高溫氧化耐腐蝕性能，并與鈦基合金熱膨脹系數匹配。

本發明的技術方案是：

一種抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層，該涂層為微米級陶瓷顆粒相和納米級金屬/氧化物混合粉末均勻彌散分布于玻璃基體相內，其組成包括：

玻璃基體相，由硅酸鈉水玻璃或硅酸鉀水玻璃經高溫轉化而成；

微米級陶瓷顆粒相，粒徑范圍為1μm～20μm，總含量占玻璃陶瓷復合涂層的15wt%～60wt%；

納米級金屬/氧化物混合粉末，直徑范圍為1nm～500nm，總含量占玻璃陶瓷復合涂層的0.5wt%～5wt%；其中，納米級金屬/氧化物混合粉末為納米鈦/氧化鈦粉末，鈦：氧化鈦的重量比為0.1～0.5。

所述的抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層，微米級陶瓷顆粒相為氧化鋁和石英混合粉末，氧化鋁：石英的重量比為0.1～0.8。

所述的抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層，氧化鋁顆粒，部分或全部被高嶺土或其他的氧化鋁含量超過50wt%的礦物代替。

所述的抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層，石英顆粒，部分或全部被石英石或碳化硅或其他的氧化硅含量超過50wt%的礦物代替。

所述的抗高溫氧化耐腐蝕的玻璃陶瓷復合涂層的制備工藝，包括如下三道工序步驟：

（1）涂料制備工序