[发明专利]一种γ-TiAl合金表面抗高温氧化和耐磨损涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于抗高温氧化和耐磨损涂层技术领域，具体涉及一种γ-TiAl合金表面抗高温氧化和耐磨损涂层及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl合金的比重约为镍基高温合金的50%，其主要高温力学性能指标接近或优于镍基高温合金，但较镍基高温合金具有更高的比强度和比弹性模量。因此γ-TiAl合金是替代镍基合金，应用于工业汽轮机、先进汽车或航空发动机高温部件的新兴重要减重材料。但γ-TiAl合金的一个重要缺陷是抗高温氧化性能差，常压高温时(800～950℃)表面易出现连续氧化剥落；更为严重的是，在高温、高压、高速气流冲刷的工况下，γ-TiAl合金会发生突然的氧化燃烧，从氧化开始到燃烧结束仅需4-20秒，在如此短的时间内采取灭火措施是不可能，这极大的限制了γ-TiAl合金的使用范围。同时，γ-TiAl合金摩擦学性能较差，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γ-TiAl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等离子喷涂、离子注入、激光熔覆、PVD等；但各方法均存在一定的缺点，如离子喷涂涂层与基体结合性能差，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γ-TiAl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，研发新型制备工艺和防护涂层，有效提高γ-TiAl合金的抗高温氧化性能和耐磨性，成为亟待解决的关键问题。

“双辉等离子表面冶金技术”由于可以在相对较低温度下(与传统扩散涂层工艺比较)，快速制备与基体合金实现冶金结合的耐磨、防腐、抗高温氧化等功能性涂层，近年来获得广泛的关注和研究。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γ-TiAl合金的抗高温氧化性能和耐磨性能已有一定的研究。如2011年2月出版的《材料导报》第25卷第2期中“双辉离子TiAl基合金表面Cr-Si共渗及改善其耐磨性能的研究”一文中公开了一种在γ-TiAl合金表面进行Cr-Si共渗的工艺。2009年2月出版的《中国腐蚀与防护学报》第29卷第1期中“TiAl表面抗高温氧化涂层研究”一文中公开了TiAl合金表面双层辉光离子渗 Cr层在 850℃的循环氧化行为。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。目前，大量文献公开了在钛合金或γ-TiAl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。因此，采用双辉等离子表面冶金技术可对γ-TiAl合金的耐磨性能和抗高温氧化性能实现一定的提升。但由于现有公开的研究大多是在γ-TiAl合金表面制备一定厚度的合金层，其虽可以实现与基体的冶金结合，但单纯的合金层对γ-TiAl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；同时，由于γ-TiAl合金较高的使用温度(＞700℃)，单纯合金层的高温防护能力不足。因此，单独使用双辉等离子表面冶金技术对γ-TiAl合金的高温抗氧化性能和摩擦性能提升有限。

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。同时，由于γ-TiAl合金极高的溶氧量，若将离子渗氧技术直接用于γ-TiAl合金抗高温氧化防护时极易引发“氧脆”现象，大幅降低γ-TiAl合金的力学性能。

发明内容