[发明专利]一种硅化物颗粒增强钛铝基复合涂层及其激光熔覆制备方法

说明书

本发明涉及了一种硅化物颗粒增强钛铝基复合涂层及其激光熔覆制备方法。该发明采用半导体激光器通过对激光熔覆工艺参数优化和控制TiAl‑Si系涂层各成分及显微组织等途径制备出具有原位自生Ti₅Si₃颗粒(含量高达10～14％)增强钛铝基复合涂层，基底相主要为耐高温γ相，获得良好的综合表面性能。本发明通过有效的成分及组织调控和激光工艺参数优化有效降低了钛铝涂层表面开裂敏感性，制备的TiAl‑5Si复合涂层具有低密度、优良的耐磨性及高温抗氧化性，适合作为钛合金表面高温防护涂层。

技术领域

本发明属于复合材料及涂层制备技术领域，具体涉及一种硅化物颗粒增强钛铝基复合涂层及其激光熔覆制备方法。

背景技术

钛合金因其低密度、高比强度以及优良的耐腐蚀和耐热性能而被广泛应用在航空航天领域、海洋工程、轻量化武器以及作为汽车和生物医用的重要结构材料。在钛合金中应用最广的TC4钛合金为典型的马氏体α+β型双相钛合金，具有较好的强度、塑性、韧性、成形性、可焊性以及耐蚀性。

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅为飞机的飞行提供动力，其发展也是促进航空事业发展的重要推动力。随着科技的发展，为了提高航空发动机的热效率以及减轻飞机零部件的自重，对发动机的结构材料也提出了更高的要求；而高性能航空发动机要求服役温度已高达800℃，而钛合金的服役温度约在350℃；此外钛合金在热加工中，变形抗力大，变形温度高热加工温度范围较窄，属于难加工材料，耐磨性也较差，因此很大程度限制了钛合金的发展。

钛铝基合金因其具有良好的高温强度，比强度高、良好的抗蠕变性，且密度低等良好的性能而被广泛应用于航空航天、汽车工业以及发电行业。但也存在一些如室温塑性差、硬度低以及耐磨性差等问题，为了改善这些问题，通过原位生成硬质颗粒增强钛铝基复合涂层从而提高钛合金表面硬度以及耐磨性和高温抗氧化性，从而提高涂层硬度以及耐磨性。TiAl基复合材料根据不同的增强体形态可以分为两类，即连续增强和非连续增强两类。与连续增强TiAl基复合材料相比，非连续增强TiAl基复合材料不仅各向同性，在实际应用中不受限制，而且具有制备过程相对简单，成本较低等优势，因而受到研究者的广泛关注成为具有应用潜力的高温结构或涂层材料。作为一种非连续增强体，Ti₅Si₃颗粒具有密度低(4.32g/cm3)、熔点高(2130℃)、硬度高、高温强度好等优点，不仅能够进一步提高TiAl合金的高温强度、高温抗氧化性及高温抗蠕变等性能，而且Ti₅Si₃颗粒可以抑制TiAl合金的再结晶行为，增强(α₂+γ)片层组织的化学稳定性，通过在钛铝基加Si以此原位生成Ti₅Si₃增强复合涂层，从而进一步提高钛合金表面制备TiAl基涂层的耐高温和耐磨性能。

表1为所用基底材料钛铝合金常见相的相关性能：

表1钛铝合金常见相的性能

钛铝基合金材料常见的有三种相，其中包括γ相(TiAl)、α₂相(Ti₃Al)以及TiAl₃相，以下为三种相的结构以及部分性能。从表1中可以看出TiAl材料熔点较高，密度较小但硬度偏低，综合考虑适合作为基底材料。

但采用传统工艺很难直接制备出表面形状复杂部件的涂层，难以克服耐高温材料涂层裂纹敏感性大的问题。目前表面改性的方式主要有离子喷涂、气相沉积、激光熔覆等。其中，激光熔覆技术因具备良好的冶金结合及快速成型的特点，而被航空航天涂层制备广泛应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种钛铝基复合涂层及其激光熔覆制备方法，此制备方法工艺简单、周期短、制备出的Ti₅Si₃颗粒增强钛铝涂层耐磨性及高温抗氧化性显著提高，裂纹敏感性显著下降。