[發明專利]一種鈦合金表面抗高溫氧化涂層及其制備方法

在審

• 申請號: 201810641736.5
• 申請日: 2018-06-21
• 公開（公告）號: CN108866502A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 秦林;馬華;劉小萍;趙鵬飛;薛海龍
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/16
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

一種鈦合金表面抗高溫氧化涂層及其制備方法，屬于材料表面處理技術領域，可解決鈦合金與銥之間膨脹系數不匹配問題。所述的抗高溫氧化復合滲鍍層，包括鎳過渡層和外層抗高溫氧化銥層，其中，鎳過渡層的特征是，Ni在基體鈦合金中的成分分布是由表及里濃度逐漸降低，在銥層中由內向外濃度遞減梯度分布。該方法通過以下技術方案實現：使用等離子體表面冶金技術，先以純鎳作為源極，在鈦合金表面制備滲鍍鎳層；再以銥靶作為源極制備鎳?銥復合滲鍍層。本發明制備的涂層與基體結合強度高，能夠有效提高鈦合金的抗高溫氧化性能，制備工藝簡單，綠色環保。

技術領域

本發明涉及一種鈦合金表面抗高溫氧化涂層及其制備方法，屬于材料表面處理技術領域。

背景技術

鈦合金因比強度高、耐蝕性能優，以及良好的高溫性能和熱穩定性而廣泛應用于航空、航天、火箭、導彈、艦艇、汽車等領域。隨著工業的發展、綠色節能要求的提高，提高材料的工作溫度是一種較為重要的方法。為了拓展鈦合金的使用溫度范圍，增強其抗高溫氧化能力就更顯重要。

目前，改善鈦合金的抗高溫氧化能力的方法主要有三種：(1)在冶煉中添加大量合金元素Nb、Mo、W、Si、Al等，然而在改善抗氧化能力的同時也會顯著改變材料的力學性能，總是要求達到抗氧化能力和力學性能的最佳平衡，問題是合金元素之間的相互作用通常無法預測或者甚至是完全未知的。因此，為了能夠選擇一種合適的合金來滿足特定的應用，必須進行廣泛、大量和長時間的實驗。(2)通過預氧化可以一定程度提高鈦合金抗氧化能力，在零件暴露于使用條件之前預先形成防護性的Al₂O₃氧化皮，一般優于沒處理的基體。但是，熱暴露時間延長，預氧化合金會發生劇烈氧化。(3) 抗高溫氧化涂層技術可以阻擋氧與基體接觸，可以獲得抗氧化性能的同時不破壞佳力學性能。因此，抗高溫氧化涂層技術是改善鈦合金抗高溫氧化性的一條有效途徑。

抗高溫氧化涂層選用的材料有幾十種，但能夠實際使用的不多，主要存在以下兩方面問題：(1)涂層的黏附性。涂層的黏附性是其有效性的前提。在高溫下熱暴露過程中，基體與涂層之間不同的熱膨脹系數，涂層中未松弛的殘余應力，在基體與涂層界面處形成脆性的金屬間化合物相都會影響涂層的黏附性。(2)涂層的長期穩定性?；w與涂層間的互擴散會消耗涂層中的氧化皮形成元素，然后會促進形成快速生長的TiO₂，也會導致形成Kirkendall孔洞，從而降低涂層的氧化皮上的附著力，此外涂層中裂紋的形成也會導致在裂紋中形成TiO₂。陶瓷涂層與基體之間的熱膨脹系數差別很大，該類涂層在熱循環條件特別容易形成裂紋。

銥具有極高的熔點（2454℃）、優異的化學穩定性、高的彈性模量，使銥制品可應用在2100~2200℃的高溫環境。銥抗高溫氧化性強、在高溫條件下氧滲透率低，可以在高溫氧化環境下有效的保護基體，被認為是理想的抗高溫氧化涂層材料。目前制備銥涂層的方法主要有物理氣象沉積（PVD）、化學氣象沉積（CVD）、激光脈沖沉積（PLD）等。

由于銥與鈦合金之間膨脹系數不匹配（在高溫條件下，銥的熱膨脹系數約為1.3×10^-7，而TC4基體約為8.6×10^-6 /K），無論采用何種方法，直接在鈦合金表面進行滲銥會出現大量的裂紋，甚至導致膜層直接脫落，難以提供對氧良好的屏障作用，使滲銥層失去其所具有的防護功能，造成鈦合金基體發生嚴重的氧化，降低使用壽命。

Ni能夠和Ir無限互溶，將Ni作為過渡層并形成梯度分布，能夠減輕甚至消除由于鈦合金與銥之間膨脹系數不匹配引起的裂紋或脫落失效。

發明內容

本發明提供了一種鈦合金表面抗高溫氧化涂層及其制備方法，使用等離子表面冶金技術，先以鎳靶作為源極，在工件表面制備滲鎳過渡層，以解決鈦合金與銥之間膨脹系數不匹配問題，提高銥涂層與基體的結合強度。再以銥靶作為源極在滲鎳過渡層上制備銥滲鍍層，從而形成與基體呈冶金結合的抗高溫氧化的Ni-Ir復合滲鍍涂層。