[發明專利]一種用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 202110824374.5
• 申請日: 2021-07-21
• 公開（公告）號: CN113584416B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 牛亞然;韓娣娟;潘洋洋;鐘鑫;祁志祥;陳光;鄭學斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C23C4/08
• 分類號: C23C4/08;C23C4/134;C23C4/137;C22C14/00;C23C4/18;C22F1/18;C22F1/02
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;牛彥存

本發明公開一種用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂層及其制備方法。所述TiAlCr抗氧化涂層的主要化學組成包括：Ti 20?40 at.%，Al 40?60 at.%和Cr 10?30 at.%。所述TiAlCr抗氧化涂層具有熔點高、與TiAl合金化學相容性好的特點，在高溫下TiAlCr抗氧化涂層與TiAl合金之間無明顯互擴散，涂層穩定性良好。而且，所述TiAlCr抗氧化涂層存在大量的Al/Cr元素，保證涂層具有生成連續致密Al₂O₃相的能力，能夠有效在高溫下保護TiAl合金。

技術領域

本發明涉及航空發動機技術領域，特別涉及一種用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂層及其制備方法。

背景技術

高推重比是航空發動機的重要指標，涉及提高燃燒室溫度和減輕發動機重量兩個方面。目前鎳基高溫合金是在航空發動機上應用最廣泛的材料，具有良好的高溫力學性能。鎳基高溫合金的服役溫度極限在1100℃，接近其熔點的80-90％。若要進一步提升鎳基高溫合金的服役溫度將是一個很大的挑戰。而且，鎳基高溫合金的密度大(8.9g/cm³)，這制約了航空發動機的減重。

TiAl合金具有密度低(3.9-4.1g/cm³)、比強度高的特點。TiAl合金若替代鎳基高溫合金在發動機上得到應用，將極大減輕發動機的重量和提高發動機的效率。TiAl合金作為航空發動機材料，經過三代TiAl合金的研究發展，服役溫度極限在800-900℃左右。但是TiAl合金的高溫抗氧化性能不足是制約其高溫應用的關鍵因素，主要原因為TiO₂和Al₂O₃的吉布斯生成自由能接近，使Ti與Al在高溫有氧環境下發生競爭氧化，生成TiO₂和Al₂O₃混合氧化膜。該氧化膜中TiO₂呈片狀，疏松多孔，易于剝落，不具備保護性。當在合金表面制備抗氧化涂層用于服役環境惡劣的航空發動機時，不僅需要涂層與合金間有較高的結合強度，而且應具有良好的界面穩定性。

MCrAlY(M＝Ni和/或Co)具有良好的高溫抗氧化性能，是目前應用成熟的抗氧化涂層材料，在鎳基高溫合金上服役性能良好。但MCrAlY涂層與TiAl合金間存在較大的化學成分差異，涂層與合金在高溫下會發生嚴重的元素互擴散，導致涂層中的Ni元素迅速流失、涂層內產生大量柯肯達爾孔洞、涂層與合金界面處生成硬脆特征明顯的Ni₂(Ti,Al)相和Ni(Ti,Al)₂相，從而嚴重影響涂層與合金的結合性能以及降低合金的力學性能。另外，MCrAlY涂層的熱膨脹系數(16×10^-6K^-1-20×10^-6K^-1))與TiAl合金(11×10^-6K^-1-13×10^-6K^-1))相差較大，不利于高溫下涂層與合金的結合，導致涂層壽命較低。因此，如何解決抗氧化涂層與TiAl合金的界面相容性，是獲得具有高性能抗氧化涂層材料的關鍵。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂層及其制備方法。所述TiAlCr抗氧化涂層具有熔點高、與TiAl合金化學相容性好的特點，在高溫下TiAlCr抗氧化涂層與TiAl合金之間無明顯互擴散，涂層穩定性良好。而且，所述TiAlCr抗氧化涂層存在大量的Al/Cr元素，保證涂層具有生成連續致密Al₂O₃相的能力，能夠有效在高溫下保護TiAl合金。

第一方面，本發明提供一種用于TiAl合金表面的TiAlCr抗氧化涂層。TiAl合金也可以稱為TiAl基體。所述TiAlCr抗氧化涂層的化學組成包括：Ti 20-40at.％，Al 40-60at.％和Cr 10-30at.％。上述比例指的是摩爾百分比。