[发明专利]一种γ-TiAl合金表面纳米梯度结构高温防护涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种γ‑TiAl合金表面纳米梯度结构高温防护涂层及其制备方法，所述涂层包括表层(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷层和次表层AlSiY合金层，表层和次表层通过冶金连接，次表层与基体γ‑TiAl合金通过冶金连接，其中，自(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷层表面向基体γ‑TiAl合金表面方向，O元素含量呈梯度下降，Al和Y元素含量呈梯度上升，Ti元素含量呈梯度上升，所述方法采用磁控溅射技术，分别对AlSiY靶材和(Al₂O₃+Y₂O₃)靶材依次进行溅射，通过对工作气压、溅射功率、以及靶材‑基体间距等工艺参数的调节与控制，在基体γ‑TiAl合金表面形成(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层。该方法效率高、工艺简单，且制备的(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层结构致密均匀、性能优良。

技术领域

本发明涉及汽车与飞机零件表面防护技术领域，具体涉及一种γ-TiAl合金表面高温防护涂层及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl合金的优异高温性能使其成为国家重大科技专项大飞机发动机压气机轮盘、叶片等部件的候选材料，也是近空间高超声速飞行器外面板的重要备选材料。然而γ-TiAl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。大量的研究与试验表明，在超过800℃的高温下，γ-TiAl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γ-TiAl合金的热稳定性、持久强度、蠕变抗力及疲劳强度等力学性能大大降低。因此，目前γ-TiAl合金的有效使用温度不超过800℃，不能满足高超音速飞行器外的工作要求^[10]。为了尽快满足航空航天以及国防军工等部门对轻比重、高性能的高温结构材料的迫切需求，γ-TiAl合金的高温抗氧化性能的提高与解决已成为关键的工程问题之一，若能使γ-TiAl合金的高温抗氧化温度提高到900~1100℃，对新一代战斗机、高超音速飞行器的减重及性能提高具有十分重要的意义。

在保持γ-TiAl合金整体力学性能的前提下提高其抗高温氧化性能，最有效的方法便是在合金表面制备抗氧化性优良的保护涂层。在γ-TiAl合金表面溅射或喷涂制备的CoCrAlY和NiCrAlY热障涂层，能够显著提高γ-TiAl的抗氧化性能。但是在高温下MCrAlY合金涂层与基体间将产生互扩散，界面产生Kirkedall孔洞并析出硬脆相，严重降低结合强度和基体材料的疲劳性能（Z. L. Tang, F. H. Wang and W. T. Surf. Coat. Technol.,1998, 99: 248-252）。多层结构涂层增加了界面数，有利于阻碍氧元素向基体的内扩散，从而延长涂层的使用寿命，如：Corrosion Science杂志2014年第80卷19-27页报道的在8Nb-TiAl合金表面制备(Al₂O₃+Y₂O₃)/YSZ多层膜一文就提到了这一观点，然而(Al₂O₃+Y₂O₃)/YSZ多层膜在长时间高温服役的条件下易出现的裂纹扩散情况限制了其进一步的研发和应用。

为了尽快满足航空航天等领域对轻比重、高性能的高温结构材料的迫切需求，如何提高γ-TiAl合金的高温抗氧化性能已成为关键的工程问题之一。

发明内容