[发明专利]一种钛铝合金表面改性的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种钛铝合金表面改性的方法及其应用，具体涉及涂层材料领域。本发明通过在钛铝合金表面引入SiO₂涂层对其进行改性，又在SiO₂涂层中加入助熔剂，降低了涂层的软化点，具体而言，助熔剂与SiO₂涂层中的部分SiO₂形成了熔点更低的化合物，在该化合物中SiO₂原有的致密化网格结构被破坏，因此在低于SiO₂熔点的钛铝合金服役温度下该化合物能够形成液相，而涂层其他部分的SiO₂保留了致密化的网格结构，保留了固相，因此整体而言，SiO₂涂层在低于SiO₂熔点的温度下能够软化，SiO₂涂层的软化点降低。形成液相的化合物能够流动、填补涂层在制备过程中产生的裂纹和孔隙，提高SiO₂涂层的致密度，在高温下能够遏制氧向钛铝合金基体的扩散，提高基体的抗高温氧化性。

技术领域

本发明涉及涂层材料领域，更具体地，涉及一种钛铝合金表面改性的方法及其应用。

背景技术

自二十世纪中叶以来，航空工业迅猛发展。镍基合金由于具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性、高温强度、组织稳定性及疲劳性能等优点被广泛用于航空发动机、燃气轮机以及高温耐蚀等零部件的制造。然而，随着航空工业的更新迭代，人们对飞机推重比的要求也逐步提高。钛基合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、热导率低、表面可装饰性强等特点，广泛应用于航空航天、化工、汽车、建筑等领域。其中，Ti-Al系金属间化合物以其优异的高温性能及良好的环境稳定性而成为高温结构材料的热门，有望代替传统Ni基合金。然而，当使用温度超过800℃时，TiAl合金抗高温氧化性能迅速恶化，极大地限制了TiAl合金的使用范围。这主要是因为，在高温环境中TiAl合金表面形成了一层外部为TiO₂，中部为Al₂O₃，内部为TiO₂和Al₂O₃的疏松混合氧化膜。

为了提高钛铝合金的抗高温氧化性能，对钛铝合金表面施加防护涂层的表面改性技术是一种常用的手段。通过在钛铝合金表面引入防护涂层，可以在不改变钛铝合金本体性能的前提下提高其抗高温氧化性能。目前常见的覆盖涂层有金属涂层、陶瓷涂层以及由几种涂层结合形成的复合涂层。其中，SiO₂涂层由于具有致密的网格化硅氧四面体结构和良好的高温化学稳定性而常常被用于为合金材料提供氧化保护。然而，通过传统方法如喷涂、浸涂、旋涂等制备的纯SiO₂涂层，在制备过程中常常会产生裂纹、孔隙，同时由于SiO₂的熔点(1500℃)远高于900℃的服役温度，在服役时SiO₂涂层难以软化，其中的缺陷就难以愈合，这就进一步导致了涂层的致密度无法调控，与基体的结合力差，限制了涂层的防护性能。

现有技术公开了一种碳纤维表面致密化烧结TiO₂涂层的方法，以钛酸酯为钛源，低熔点盐为烧结助剂即助熔剂，首先经水解制得含烧结助剂和钛源的先驱体溶液，再将碳纤维浸渍在先驱体溶液中、烘干和烧结，制得致密化的碳纤维表面TiO₂涂层。虽然同样借助于助熔剂的作用实现了致密涂层的制备，但现有技术中公开的TiO₂涂层为金红石型结构或锐钛矿型结构，不如SiO₂涂层的网格化结构致密，在高温下难以遏制氧的扩散，且TiO₂结构中的阴离子空位多，氧溶解度较高，这就使得TiO₂并不适合作为高温金属结构材料的抗氧化涂层，难以对钛铝合金材料的抗高温氧化性能作出改进。

发明内容