[发明专利]一种钛铝合金表面抗高温氧化和耐热腐蚀Al-Cr涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及抗高温氧化和耐热腐蚀涂层技术领域，具体涉及一种钛铝合金表面即抗高温氧化又耐热腐蚀的Al-Cr涂层及其制备方法。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物比强度高，其高温强度和刚性都比Ni基和Ti基合金高，是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料。然而钛铝合金耐热腐蚀性差、在超过650℃的高温下抗氧化能力急剧下降等缺陷，使得其应用受到限制，不能满足航空发动机和燃气轮机等热端部件的工作要求。为了使钛铝合金在保持良好的整体力学性能的前提下提高抗高温氧化和热腐蚀性能，一个非常有效的途径是在其表面施加适当的涂层。

针对上述问题，国内外展开了大量高温防护涂层的研究，其中Al-Cr涂层因其“智能型”的独特设计成为研究热点。新型“智能涂层”的“应变能力”来自涂层独特的内部两层保护设计。最外部是富铝层，在高温环境中可形成热力学稳定的致密Al₂O₃膜而发挥保护作用。内层是含铬层，可以促进Al的选择性氧化，提高涂层的自修复能力，并在温度较低时阻止燃气轮机中一些盐类沉积物腐蚀进入内部而损害材料。

到目前为止，Al-Cr涂层的制备主要包括粉末包埋、电弧离子镀、离子液体镀、PVD(Physical Vapor Deposition,物理气相沉积)等工艺。孙超，吴多利，姜肃猛等采用电弧离子镀沉积Cr和粉末包埋法渗Al的联合工艺在镍基高温合金DSM11基体表面制备了Al-Cr涂层，显著地改善基体合金的高温抗氧化性能，但该方法不能准确控制涂层中的Al、Cr含量。浙大的凌国平和李文川等采用离子液体镀的方法在钢铁表面制备Al-Cr合金涂层，可提高基材的抗高温氧化、抗水真气腐蚀和含硫介质腐蚀，其不足之处是等离子液价格昂贵。M和D采用PVD的方法制备出Al/Cr、Al/Fe和Cr/Fe的复合涂层，但是不适合大件或形状复杂的零部件。并且采用上述方法制得的涂层容易在高温、循环应力下剥落而失去防护作用。综上所述，Al-Cr涂层的研究与应用已经取得一些成就，但是总体上看还远未达到成熟的程度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明利用加弧辉光等离子表面冶金技术，提供一种钛铝合金表面抗高温氧化和耐热腐蚀Al-Cr涂层及其制备方法，涂层与基体之间冶金结 合，可大幅提高钛铝合金的抗高温氧化性能和热腐蚀性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛铝合金表面抗高温氧化和耐热腐蚀Al-Cr涂层，所述涂层从表面至钛铝合金基体依次为富Al沉积层、Al-Cr合金层和Cr扩散层，所述富Al沉积层中Al含量从外到内保持不变，在75～95wt％，其余为Cr；所述Al-Cr合金层中Al含量从外到内由富Al沉积层中的Al含量梯度下降至钛铝合金基体中Al含量的70％～100％，其余为Cr，即Cr含量从外到内梯度上升；所述Cr扩散层中Cr含量从外到内由Al-Cr合金层中最内层的Cr含量梯度下降至同钛铝合金基体中的Cr含量，Al含量从外到内由Al-Cr合金层中最内层的Al含量梯度上升至同钛铝合金基体中的Al含量，其余为钛铝合金基体中的其它各元素，其它各元素从外到内均由零梯度上升至同钛铝合金基体中的含量。

所述钛铝合金包括α₂-Ti₃Al、γ-TiAl、O-Ti₂AlNb。

所述富Al沉积层的厚度为3～5μm；Al-Cr合金层的厚度为5～8μm；Cr扩散层的厚度为10～12μm。

上述钛铝合金表面抗高温氧化和耐热腐蚀Al-Cr涂层的制备方法，先在钛铝合金基体表面制备Cr扩散层，然后在Cr扩散层表面进行渗镀铝处理制备Al-Cr合金层和富Al沉积层，步骤如下：

步骤一、将钛铝合金基体和纯Cr靶材装入加弧辉光等离子表面冶金装置中，以钛铝合金基体为工件极，以纯Cr靶材为源极；

步骤二、抽真空至5×10^-4Pa～8×10^-4Pa，送入氩气，启动辉光，调试工艺参数为：电弧电流：50～70A；工件偏压：250～350V；氩气气压：0.3～0.5Pa；靶材与工件间距：150～200mm；占空比：0.2-0.5；保温时间：0.5～1h；工作温度：880～920℃；

步骤三、停止辉光，断电，完成Cr扩散层的制备；

步骤四、将完成Cr扩散层制备的试样和纯Al靶材装入加弧辉光等离子表面冶金装置中，以完成Cr扩散层制备的试样为工件极，以纯Al靶材为源极；