[发明专利]用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法。所述热障涂层包括TiAlCr抗氧化粘结层和位于TiAlCr抗氧化粘结层表面的稀土陶瓷隔热层；所述TiAlCr抗氧化粘结层的主要化学成分包括：Ti 20‑40 at.%，Al 40‑60 at.%和Cr 10‑30 at.%；所述稀土陶瓷隔热层的材料为稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土锆酸盐、稀土铝酸盐中的至少一种。所述热障涂层的热导率低，可以有效隔热，同时所述热障涂层体系的热膨胀系数与基体的错配度小，在服役过程中产生的应力小，能够延长涂层的服役寿命；此外，所述热障涂层体系与基体的结合强度相对也较高。

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法。

背景技术

高推重比是航空发动机的重要指标，涉及提高燃烧室温度和减轻发动机重量两个方面。目前，镍基高温合金是航空发动机上应用最广泛的材料，具有良好的高温力学性能。然而，镍基高温合金的服役温度极限在1100℃，已经接近其熔点的80-90％，若要进一步提升镍基高温合金的服役温度将是很大的挑战。同时，镍基高温合金的密度大(8.9g/cm³)，制约了航空发动机的减重。

TiAl合金具有低密度(3.9-4.1g/cm³)的特点，同时还具备优异的比强度，若替代镍基高温合金在发动机上得到应用，将极大减轻发动机的重量，提高发动机的效率。TiAl合金作为航空发动机材料，经过三代TiAl合金的研究发展，目前其服役温度极限在800-900℃左右，因此在其表面制备热障涂层可进一步提升材料的服役温度。

航空发动机的服役环境恶劣，当在高温合金表面制备热障涂层时，不仅需要表面的涂层与基体有较高的结合强度，而且需要涂层体系有较好的界面相容性和抗热循环冲击性能。镍基高温合金表面制备NiCrAlY作为粘结层，已经成熟应用。然而，若将该种粘结层用于TiAl合金表面，高温服役状态下粘结层中的Ni元素会向基体发生严重的扩散，在基体表面生成脆性相，严重影响涂层与基体的结合性能，同时降低合金的力学性能。因此，如何解决粘结层与TiAl合金的界面相容性，是获得具有高抗热循环性能热障涂层材料的关键。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于TiAl合金表面的热障涂层及其制备方法。所述热障涂层的热导率低，可以有效隔热，同时所述热障涂层体系的热膨胀系数与基体的错配度小，在服役过程中产生的应力小，能够延长涂层的服役寿命；此外，所述热障涂层体系与基体的结合强度相对也较高。

第一方面，本发明提供一种用于TiAl合金表面的热障涂层。所述热障涂层包括TiAlCr抗氧化粘结层和位于TiAlCr抗氧化粘结层表面的稀土陶瓷隔热层；所述TiAlCr抗氧化粘结层的主要化学成分包括：Ti 20-40at.％，Al 40-60at.％和Cr 10-30at.％；所述稀土陶瓷隔热层的材料为稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土锆酸盐、稀土铝酸盐中的至少一种。

TiAlCr材料具有优异的抗氧化性，在TiAl合金表面作为抗氧化粘结层可起到阻挡TiAl合金与空气接触、防止基体氧化的作用。同时TiAlCr材料的Al含量较高，材料中的Al氧化优先于Ti被氧化，且该材料中存在较高含量的Cr，以上可以促进Al氧化物的生成，保证在涂层表面形成连续致密的Al₂O₃层。除此之外，TiAlCr材料与TiAl合金基体的元素和含量相近，使得TiAlCr抗氧化粘结层的热膨胀系数和化学相容性与TiAl合金基体匹配性较佳。