[發明專利]一種涂層材料、制備方法及合金材料

有效

• 申請號: 202011475658.X
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112725754B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 張平則;苑建志;田恬;魏東博;黨博;楊凱;李淑琴;姚正軍
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/16;C23C14/06;C23C14/54
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種涂層材料、制備方法及合金材料。本發明所述涂層材料由Ti層以及TiB_x層組成的周期單元依次排列而成，其中，x為1?2；所述Ti層的厚度為100?500nm，TiB_x層厚度為100?500nm；所述TiBx涂層由三陰極離子滲鍍方法制備而成；所述周期單元的排列周期為10?50。本發明通過三陰極離子滲鍍方法制備納米層級Ti層以及TiB_x層組成的連續多層膜，多層膜的設計和納米層級薄膜的制備可以使涂層表面維持TiB_x陶瓷層的高硬度、高耐磨性及抗高溫氧化性能，有效降低涂層內應力，同時其韌性也得到提高，綜合力學性能優異，提高了具有該涂層的γ?TiAl材料作為航空發動機部件材料的服役壽命，應用前景廣闊。

技術領域

本發明涉及一種具有高溫耐磨材料、制備方法及合金，特別涉及一種涂層材料、制備方法及合金材料。

背景技術

鈦合金已經應用到飛機的核心部位發動機上，其在航空發動機上的使用量可達總重量的20～30％，一般用于制造壓氣機部件。隨著航空航天的快速發展，原有材料已無法滿足高性能使用要求。先進航空發動機高推重比、高增壓比、高渦輪前溫度及低油耗目標的實現，除了采用先進的結構設計和精準的強度計算外，還強烈依賴于輕質耐熱鈦合金材料。人們期望能用新型材料抵抗各種惡劣環境，比如高溫、高壓力和煙霧等環境，這些要求材料具有高強度、抗氧化及高耐磨等性能。目前材料科研人員已經對輕質且綜合性能優異的新材料進行了一系列的研究工作，其中對TiAl金屬間化合物的探索尤為重視。

當航空發動機處在高速運轉流程中，內部構件不斷滑動和滾動，構件重復摩擦、加載及其卸載，導致高溫摩擦，減少零件表層的彈性，最終產生不一樣程度損壞。長時間之后構件表層便會因為摩擦產生變形或裂紋，如果做到較大限定后，乃至會發生表層大碎片剝落和凹坑的情況，并干擾發動機正常情況下運行；另一方面發動機運轉流程中在摩擦功效下也會使內部構件發生局部塑性變形的情況，而且會發生構件表層材料轉移的狀況或者表層材料粘著到別的構件表層，其干擾范圍會更大。因而，γ-TiAl耐磨性不足、抗高溫氧化性能差的缺點限制其在航空發動機上的進一步應用。

由于摩擦磨損和高溫氧化是材料表面損傷，主要采用一些表面處理技術來提高γ-TiAl表層性能，從而確保其在高溫磨損工況下正常使用。解決γ-TiAl耐磨性不足和抗高溫氧化性差的較好方法是選擇一種高硬度、高耐磨，同時具有良好抗高溫氧化性能的涂層對γ-TiAl表層進行防護。Ti與B反應形成的化合物TiB_x(x＝1～2)因其既具有陶瓷材料的高硬度、高強度及抗高溫氧化性能良好等特點，又具有金屬材料的良好導熱等優良特性受到廣泛關注。

在TiB_x涂層諸多制備方法中，固體滲硼法設備簡單，操作方便，適應性強，可得到原位冶金結合的硼鈦化合物層，但其滲層厚度薄、效率低、物相不易控制，且滲硼層生長方向較為隨機。針對此問題，三陰極離子滲鍍技術可通過調整適當工藝組合來獲得可調厚度、方向定向生長的TiB_x涂層。

三陰極離子滲鍍技術建立在雙輝等離子表面合金化技術基礎上，是在雙輝等離子表面合金化裝置的兩個陰極間，置入一個孔隙化空腔陰極，并連接直流電源。雙輝等離子表面合金化技術是一種新型的表面改性處理技術，最大的優勢是改性層與基體之間可以通過元素擴散形成互擴散層，擴散層成分呈現梯度分布，因此改性層與基體形成冶金結合，與基體結合牢固。另外，通過調節電壓、氣壓和保溫時間等工藝參數可以控制擴散層的厚度以及成分，這層擴散層可以有效提高改性層的結合力。該技術制備的合金層表面致密完整，無孔洞、雜質和裂紋等，并且能使表面合金層與基體間實現硬度和韌性的協調統一，即使在苛刻服役環境下，也能保證合金層與基體的形變相容性，使合金層不易從基體剝落，從而提供長效防護。

由于γ-TiAl基體與TiB_x陶瓷層相容性差，線膨脹系數差大，導致涂層內應力大，易發生涂層剝落。因此，有必要在γ-TiAl基體與TiB_x陶瓷層之間制備中間過渡層，釋放涂層應力。

發明內容