[發明專利]一種鈦合金表面復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202110065763.4
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112981320B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 魏東博;李民鋒;張平則;李逢昆;黨博;李淑琴;姚正軍
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/16;C23C14/32;C23C14/34
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 金詩琦

本發明公開了一種鈦合金表面復合涂層及其制備方法，所述復合涂層包括依次連接的鈦合金基體、CoCrNiAlTi高熵合金涂層、NiCoCrAlY粘接層和YSZ?Ag?Mo高溫固體自潤滑涂層。所述制備方法包括以下步驟：對鈦合金基體表面進行拋光預處理；利用雙輝等離子表面冶金，以鈦合金基體為工件極，CoCrNiAlTi和NiCoCrAlY靶材分別為兩個源極，在鈦合金基體的表面制備CoCrNiAlTi高熵合金涂層和NiCoCrAlY粘接層；利用多弧離子鍍，在NiCoCrAlY粘接層的表面制備YSZ?Ag?Mo高溫固體自潤滑涂層。本發明的涂層表面質量好，與基體為冶金結合，具有較高的結合強度。

技術領域

本發明屬于復合涂層及其制法，具體為一種鈦合金表面復合涂層及其制備方法。

背景技術

鈦合金是應用于航空航天領域的首選材料，具有低密度、高比強度、良好的韌性與耐腐蝕性能等優點，特別是用于制造飛機機身、液壓管道、蒙皮、緊固件以及航空發動機結構件。但隨著航空航天工業的不斷發展，鈦合金機械零部件面臨著更加苛刻的運作環境，特別是如何克服高真空度、寬溫域服役環境中的摩擦是結構件面臨的重大挑戰。

YSZ（Y₂O₃穩定ZrO₂陶瓷層）陶瓷基高溫固體自潤滑涂層具有足夠的高溫強度、熱穩定性、優良的抗磨損性能，通過添加CaF₂、BaF₂、MoO₃等固體潤滑劑，YSZ陶瓷基高溫固體自潤滑涂層能夠初步實現在低溫與高溫交變環境中的潤滑減摩效果。但陶瓷涂層斷裂韌性差、與金屬基體熱膨脹系數差別大，將單層陶瓷涂層應用于溫度交替的服役環境中，服役壽命難以滿足實際應用的需求。

NiCoCrAlY涂層既可以作為保護涂層提高基體的抗氧化性能、抗熱腐蝕性能以及抗熱疲勞性能，也廣泛應用于基體合金與陶瓷涂層之間的粘接層以提高結合強度和服役壽命。但是將NiCoCrAlY應用于鈦合金與YSZ陶瓷涂層之間的粘接層時，隨著服役環境溫度的升高，NiCoCrAlY粘接層與基體之間會發生合金元素互擴散現象。

宮雪在其碩士論文《TiAl基合金表面NiCoCrAlY(Ta,Mo)涂層的組織與抗氧化行為》中提到，涂層中的Al元素向內界面處擴散會消耗涂層中的Al含量，同時TiAl基合金中的Al、V向外擴散，在界面處形成V₂O₅、AlVO₄和NiCr₂O₄、Ni₃Al等脆性相，增加了內應力和內氧化速度，惡化了結合性能；合金元素發生互擴散后會形成克肯達爾空洞帶，產生應力集中并在涂層與界面處形成微裂紋，造成涂層的過早失效。

在2011年出版的《Corrosion Science》第53卷第3期“Oxidation andinterfacial fracture behaviour of NiCrAlY/Al₂O₃ coatings on an orthorhombic-Ti₂AlNb alloy”一文中指出NiCrAlY粘接層與鎳基合金基體和鈦鋁鈮基合金基體之間均存在合金元素的擴散行為，以Al₂O₃涂層作為擴散障可以一定程度上阻礙合金元素的擴散行為，但是會影響涂層的抗氧化性能和力學性能。

多弧離子鍍技術具有沉積溫度低、薄膜均勻性好、繞鍍性好、操作簡單等優點，通過設計靶材的合金成分，可以得到均勻致密的YSZ陶瓷基高溫固體自潤滑涂層。采用雙輝等離子表面冶金技術在陶瓷基涂層與基體之間設計并制備粘接層，以實現涂層與基體之間熱膨脹系數的合理過渡，緩和復合結構涂層在冷-熱循環交替的工作環境中產生的殘余應力，防止涂層過早的開裂與剝落。但是在服役過程中，粘接層與基體之間的元素擴散現象會影響復合結構的粘接效果，仍然是保證服役的安全性而不可忽視的問題。