[发明专利]一种两步热浸渗铝法在钛合金表面制备Ti-Al-Si复合梯度涂层的方法

说明书

本发明涉及一种在钛合金表面制备Ti‑Al‑Si复合梯度涂层的方法。本发明所述的Ti‑Al‑Si复合梯度涂层是将钛合金先在纯铝液中进行一次热浸镀，然后在氩气保护下将钛合金工件从纯铝液中抽出，快速浸入Al‑Si合金液中进行二次热浸镀，最后高温预氧化，形成具有Ti‑Al‑Si多相层梯度结构和铝硅浓度梯度的复合梯度涂层。通过该方法在钛合金表面依次形成Ti‑Al二元合金相层、Ti‑Al/Ti‑Si混合相层、固溶Si原子的Ti(Al,Si)3相层、τ2相+Al2O3层。本发明的两步热浸渗铝法所制备Ti‑Al‑Si复合梯度涂层，能提高涂层的抗高温氧化性能，涂层热稳定性好、与基体良好结合，抗裂纹扩展能力强，制备工艺简单、成本较低，可大大提高钛合金工件的使用温度及使用寿命。

技术领域

本发明涉及热浸镀制备涂层领域，特别是涉及一种两步热浸渗铝法在钛合金表面制备Ti-Al-Si复合梯度涂层的方法。

背景技术

航空发动机作为飞机的心脏，不仅要承受极大的应力和高温，同时还要保证高推重比（推力/质量）。高温钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、高温性能好等优点，目前在发动机压气机盘、叶片、高压压气机转子、压气机机匣等部件均采用钛合金材料。随着高推重比发动机、高马赫数航空器的发展，对钛合金的抗高温氧化性能要求越来越高。但是我国目前最先进的高温钛合金Ti65和Ti750短时最高使用温度也只在650-750℃，随着温度上升，合金表层氧化膜极易发生破裂，造成过度氧化以及氧向基体扩散而引起氧脆。目前人们一方面通过添加抗高温氧化元素来设计新的高温钛合金，但是只有当合金元素加入量较高时，才会有较好效果。而且过量的合金元素会严重影响合金的力学性能，无法满足航天用材的安全性能要求。另一方面利用新技术在高温钛合金表面制备金属或非金属涂层，改善其抗高温氧化性能。人们采用了多种方法对钛合金进行表面改性，最初选择在钛合金表面形成一层镀铝涂层，目的是希望得到致密的TiAl₃相层和氧化铝保护层，而且TiAl₃是所有Ti-Al中间相中唯一能氧化形成三氧化二铝的相层。但是由于热浸镀过程中往往会生成多相层，由于不同涂层间或者涂层与基体之间的相结构、显微硬度、热膨胀系数等的不匹配而导致在高温下出现一定的应力，使得涂层出现裂纹将基体暴露在大气中，最终涂层开裂、脱落，失去对基体的保护作用。在铝中加入Si，除了能够产生二氧化硅提高抗高温氧化性能外，还能减少热膨胀系数不匹配的问题。但是由于Si会先于Al与Ti结合形成Ti-Si化合物，从而无法形成TiAl₃相层。因此开发一种新的钛合金Ti-Al-Si复合梯度涂层，利用多相层梯度结构消除应力开裂和准确控制硅的浓度梯度调节相层力学性能，提高涂层抗高温氧化性能，提升钛合金的服役温度。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种两步热浸渗铝法在钛合金表面制备Ti-Al-Si复合梯度涂层的方法，Ti-Al-Si复合梯度涂层具有热稳定性好、致密性高、抗氧化性能好等特点，该制备方法具有合金相层梯度可控，涂层成分梯度可控、不受工件形状限制、操作简单、成本低廉等特点。

本发明采取的技术方案如下

一种两步热浸渗铝法在钛合金表面制备Ti-Al-Si复合梯度涂层的方法，是在钛合金表面依次形成Ti-Al二元合金相层、Ti-Al/Ti-Si混合相层、固溶Si原子的Ti(Al,Si)₃相层、τ₂相+Al₂O₃层。

本发明的两步热浸渗铝法得到的钛合金Ti-Al-Si复合梯度涂层，Ti-Al二元合金相层、Ti-Al/Ti-Si混合相层、固溶Si原子的Ti(Al,Si)₃相层与基体紧密结合，且呈现结构梯度分布，致密无裂纹；τ₂相+Al₂O₃层能够有效隔绝空气；Si元素在多相合金层中呈现梯度分布，有效调节合金层的强韧性，防止层间开裂。