[發明專利]一種耐高溫鈦合金防護涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202110568390.2
• 申請日: 2021-05-24
• 公開（公告）號: CN113278850B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 伍廉奎;嚴豪杰;曹發和
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22F1/18;C23C18/18;C23C18/36;C23C28/02;C25D3/12;C25D5/12;C25D5/50;C25D21/12
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 顏希文

本發明公開了一種耐高溫鈦合金防護涂層及其制備方法，涉及鈦合金技術領域。本發明所述耐高溫鈦合金防護涂層的制備方法包括如下步驟：(1)在鈦基合金表面鍍上一層耐高溫金屬層；(2)以四乙氧基硅烷、0.05～0.5mol/L硫酸鎳溶液、無水乙醇、0.1～0.5mol/L硝酸鉀溶液配制電沉積溶液；(3)電沉積制備初始復合薄膜；(4)將步驟(3)得到的鈦基合金放入700～1200℃的熱處理爐中保溫4～7h，爐冷，得到所述耐高溫鈦合金防護涂層；所述步驟(1)中耐高溫金屬的熱膨脹系數介于鈦基合金和SiO₂之間。由本發明所述方法制備的耐高溫鈦合金防護涂層在900℃氧化100h后仍然具有良好的穩定性，質量變化較小。

技術領域

本發明涉及鈦合金技術領域，尤其涉及一種耐高溫鈦合金防護涂層及其制備方法。

背景技術

Ti合金具有密度低、比強度和比剛度高且抗高溫蠕變和抗氧化性能較好等特點，是綜合性能較好的輕質高溫合金，在航空航天、汽車、化工和醫療行業得到廣泛應用，是超高音速飛行器和下一代先進航空發動機的首選材料。其中，Ti-Al系金屬間化合物以其優異的高溫性能及良好的環境穩定性而成為高溫結構材料的熱門選擇。

鈦鋁合金主要可分為3種，即Ti₃Al、TiAl和TiAl₃。其中Ti₃Al的抗高溫氧化性能較差，使用溫度較低(≤650℃)；TiAl₃的密度最低，抗高溫氧化性能也最好，但由于固溶范圍太窄，所以室溫延展性差，機械加工困難。鈦鋁合金室溫下呈脆性，缺乏足夠的延展性，變形加工性、耐磨性能較差，高溫(800℃)抗氧化能力低。為了克服上述缺點，國內外科研工作者開展了大量研究，進行了有益嘗試，提出合金設計和表面改性等措施，取得了很多有價值的研究成果。

針對鈦鋁合金脆性大，缺乏韌性的問題，人們開展了大量的研究，其中最引人注目的是在TiAl或Ti₃Al中添加高含量、高熔點的過渡族元素Nb、Zr、Hf和Ta，特別是Nb元素的加入是提高TiAl系合金的室溫塑性和高溫抗氧化性能的最有效的手段之一。國內陳國良教授率先開展了含Nb鈦鋁合金的研究，由于Nb的加入量較高，通常將其命名為高鈮鈦鋁基合金。通過添加高熔點的合金化元素Nb可有效提高合金的熔點及有序化溫度，使其具有良好的抗氧化性能，同時又發揮了鈦鋁基合金密度小、晶體結構簡單和易于控制顯微組織而改善性能的優點。但高鈮TiAl合金抗高溫氧化性能仍不能滿足人們的需求。Nb、Sb、Si、Cr、Y、Mo、Ta、W及Re等雖然可有效改善TiAl合金的抗高溫氧化性能，但加入量過高會降低合金的力學性能。故合金化方法有其局限性，需要通過其他方法增強合金的高溫抗氧化能力。同時考慮結構性能(強度、韌性等)和環境性能(耐磨、耐蝕、耐高溫等)的關系，才能得到理想的合金。

表面改性技術，包括離子注入法、表面涂層、物理氣相沉積、化學氣相沉積等，在提高TiAl合金抗高溫氧化性能的同時，不改變TiAl合金自身的強度和韌性成為該領域的研究熱點。離子注入法雖然注入量可控、重復性較好，但涉及的設備較昂貴、生產效率較低，且對高鈮TiAl合金成分改變的深度僅局限在表面較淺的范圍(1μm)。氣相沉積是利用F、Cl和Br等鹵素元素通過鹵素效應形成氣相的鹵化鋁在氧化過程中形成Al₂O₃保護膜來減緩基體的氧化。但是，此法最致命的缺陷在于其對Al含量有較高要求，若鋁含量低于40％則無法產生鹵素效應。滲硅層、滲鋁層及硅基搪瓷涂層等可作為屏蔽層阻擋氧氣向基體的滲透，從而提高其抗高溫氧化性能。然而，這些涂層通常與基體膨脹系數不一致，結合力較差，且涂層內部的內應力較大，致使涂層在服役過程中容易開裂和剝離。因此，采用防護涂層提高TiAl合金抗高溫氧化性能的關鍵是制備連續、致密且與基體具有良好結合力和抗氧化性能的涂層。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足之處而提供一種耐高溫鈦合金防護涂層。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：一種耐高溫鈦合金防護涂層的制備方法，包括如下步驟：