[发明专利]一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的氧化物梯度涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于抗高温氧化和耐磨损涂层的制备领域，特别涉及一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的氧化物梯度涂层及其制备方法。 

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、医疗卫生等领域。然而，钛合金的抗高温氧化能力较差。通常，钛合金在500～800℃时即会出现严重的氧化剥落，力学性能急剧下降。这极大的限制了钛合金的使用范围。同时，钛合金摩擦学性能较差，当用做滑动部件时，存在严重的粘着磨损和微动磨损倾向。

采用先进的表面工程技术手段,在钛合金表面制备抗氧化、耐磨涂层是解决上述问题的有效方法之一。目前已取得一定研究成果的表面工程技术主要为预氧化处理、离子注入、激光熔覆、PVD等；但各方法均存在一定的问题，如预氧化处理形成的氧化保护膜较薄，离子注入表面深度较浅(≤5 μm)，激光熔覆表面易开裂，PVD工艺复杂、效率低等。共性的问题是上述的技术手段在钛合金表面获得的涂(镀)层在高温、循环应力的作用下，很容易剥落而失去防护效果。因此，如何有效提高钛合金的抗高温氧化性能和耐磨性，延长其服役时间，成为钛合金应用中亟待解决的关键问题。

“双辉等离子表面冶金技术”由于可以在较低温度下(与传统扩散涂层工艺比较)，快速制备与基体冶金结合的功能性涂层，用于钛合金表面处理可一定程度上提升其抗高温氧化性能和耐磨性能。图1为双辉等离子表面冶金装置的原理图：在一密封容器内, 设置阳极1（金属外罩）、源极2(靶材)、阴极3（被处理工件）。在阳极、阴极间及阳极、源极间分别外接一个直流可调压电源4。当炉内抽真空达一定值后,通入氩气，先接通阴极（工件）电源,加一定电压，清洁工件表面，再通上源极电源，则在阳极与阴极间、阳极与源极间分别出现辉光放电现象, 称为双层辉光放电。利用源极辉光溅射, 将其中原子或离子轰击出来, 并高速飞向阴极(工件) 表面。同时利用阳极与阴极间的辉光放电, 使工件加热、吸收扩散活性金属原子(离子) , 从而使工件表面形成一个含有靶材元素成分的涂层。

目前，采用双辉等离子表面冶金技术提高钛合金的抗氧化性能和耐磨性能已有一定的研究。如2005年6月出版的《中国工程科学》第7卷第6期中“双辉等离子表面冶金技术的新进展”一文中总结了采用双辉等离子表面冶金技术提高钛合金抗高温氧化性能和耐磨性能的研究进展。因此，采用双辉等离子表面冶金技术可对钛合金的耐磨性能和抗高温氧化性能实现一定的提升。但由于现有的双辉等离子表面冶金技术大多是在钛合金表面采用双辉等离子表面冶金技术将Al、Cr、 Ni、Cu、Mo、W、C、Si等合金元素渗入达到耐磨、抗氧化的性能。这些虽可以实现与基体的冶金结合，得到一定厚度的合金层，但单纯的合金层对钛合金的耐磨性和抗高温氧化性能提升有限。特别是抗高温氧化性能，高温氧化时，单纯的合金层存在一个被氧化为氧化物的过程，无法有效的阻隔氧的侵入，因此对钛合金的高温抗氧化性能提升有限。

离子渗氧技术是在钛合金大气压下渗氧表面处理技术基础上发展起来的新技术，由于可以实现直接在钛合金表面制备出渗氧强化层，且工艺简单，无污染而受到广泛的关注。如：2002年2月出版的《北京科技大学学报》第24卷第1期中“钛等离子渗氧”一文中公开了一种钛表面高硬度的抗磨表面改性层的制备方法。目前，离子渗氧技术主要用于提升钛合金的表面硬度和耐磨性能。由于钛合金普遍具有较高的溶氧量，将离子渗氧技术直接用于钛合金抗高温氧化防护时极易引发“氧脆”现象，大幅降低钛合金的力学性能。

发明内容

技术问题：针对钛合金的抗高温氧化性能和耐磨性差的缺点和现有技术存在的问题，本发明利用双辉等离子表面冶金技术和离子渗氧技术为手段，提供一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的多种氧化物体系梯度涂层及其制备方法，大幅提升钛合金的抗高温氧化性能和耐磨性能。

技术方案：一种钛合金表面抗高温氧化和耐磨损的氧化物梯度涂层，表面层为氧化膜层，由Al₂O₃、Cr₂O₃和NiO₂混合组成，中间层为Al-Cr-Ni合金层，涂层与基体间由Al-Cr-Ni-Ti互扩散层实现冶金集合。

所述涂层表面的Al₂O₃、Cr₂O₃和NiO₂氧化膜层厚4~6 μm，氧化膜含氧量从氧化膜表层由外向内梯度下降。氧化膜表面含氧量为20~30wt%，沿氧化膜深度方向逐渐连续下降至0~10wt%，期间无成分突变点。氧化膜组织致密，无空洞。