[发明专利]Ti2AlNb合金表面抗高温氧化复合梯度涂层及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明属于抗高温氧化涂层技术领域，具体涉及一种Ti₂AlNb基合金表面抗高温氧化复合涂层及其制备方法。

背景技术

    Ti₂AlNb基合金是Ti-Al系金属间化合物合金中一个新拓展出的合金体系，是在Ti₃Al中加入β稳定元素Nb形成的。因为Ti₂AlNb基合金具有高的高温屈服强度、高的蠕变抗力和断裂韧性，以及低的缺口敏感性，作为新一代高温结构材料显示出了巨大潜力。然而Ti₂AlNb合金也存在一些性能上的缺陷，使得其应用受到限制，其中最突出的问题是高温抗氧化性能严重不足。在超过700℃的高温下，Ti₂AlNb基合金的抗氧化性能急剧下降。同时，由于高温下N、O原子的渗入，合金易产生次表层脆化现象，从而导致Ti₂AlNb基合金的热稳定性、持久强度、蠕变抗力、疲劳强度等力学性能大大降低，因此不能满足发动机热端部件的工作要求。

    采用先进的表面工程技术手段，在Ti₂AlNb基合金表面制备抗氧化涂层是解决上述问题的有效方法之一。目前取得一定研究成果的表面工程技术主要为氧化处理、激光熔覆、表面沉积涂层法、离子注入法、等离子喷涂技术、多弧离子镀等，但各方法均存在一定的问题，如常规CVD（Chemical Vapor Deposition, 化学气相沉积）在较高的温度容易引起基体组织的结晶、再长大变化，降低工件的强度和影响工件的形状尺寸，用PVD（Physical Vapor Deposition, 物理气相沉积）涂层存在界面结合问题，且工艺复杂、效率低，离子注入层太浅，激光熔敷表面容易开裂等。上述方法共性问题是获得的涂层容易在高温、循环应力下剥落而失去防护作用。研发新型制备工艺和防护涂层，有效提高Ti₂AlNb基合金的抗高温氧化性能，成为亟待解决的关键问题。

    针对Ti₂AlNb合金高温抗氧化性不足的问题，国内外开展了一定的表面工程应用技术研究。Warrier 研究了在Ti₂AlNb合金表面制备γ-TiAl 合金涂层，有效地阻止了基材在热循环时的脆裂，但其强度却显著下降。R. Braun 和Leyens的研究表明TiAlCr和氮化物涂层可在750℃下赋予Ti₂AlNb合金充分的抗氧化保护能力，其不足是所采用磁控溅射工艺的效率太低，难以得到广泛的应用。Q. M. Wang等开展了离子镀NiCoCrAl涂层提高Ti₂AlNb合金高温抗氧化性能的系列研究，取得了很好的效果。郑德有等在Ti₂AlNb合金表面制备了搪瓷涂层，使基材的抗氧化性能显著提高。Tianying Xiong等采用冷喷涂的方法在Ti₂AlNb合金表面制备了TiAl₃-Al复合涂层，有效地提高了基材的抗高温氧化性能。

    综上所述，Ti₂AlNb合金表面制备抗氧化涂层研究与应用已经取得一些成就，但是总体上看还远未达到成熟的程度。不论是陶瓷涂层还是合金涂层，即使其膨胀系数CTE与基材之间具有较好的匹配，由于涂层与基体间存在成分突变的界面，较大残余应力的形成不可避免，在发动机热端这样的强烈热冲击下，容易产生微裂纹乃至剥落，因而可靠性不足。

发明内容

    针对Ti₂AlNb合金的抗高温氧化性能差的特点和现有技术存在的问题，本发明利用加弧辉光等离子表面冶金技术，提供一种Ti₂AlNb合金表面抗高温氧化的复合梯度涂层及其制备方法，涂层与基体之间形成无界面的冶金结合，其成分、结构与性能都是由表及里地呈梯度变化，从而使涂层与基体之间具有充分而可靠的结合强度，大幅提高Ti₂AlNb合金的抗高温氧化性能。

为了实现上述发明目的，本申请采用了以下的技术方案：

Ti₂AlNb合金表面抗高温氧化复合梯度涂层，从表面至基体依次为纯Al层，Al-Ti合金层和Al-Ti-Nb互扩散层。

涂层表面为致密纯Al沉积层，组织致密，无孔洞、裂纹等缺陷，厚度为4~6 μm，Al含量从表面由外向内保持不变；