[发明专利]一种提高钛基合金抗高温氧化性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料抗高温氧化领域，具体涉及一种提高钛基合金抗高温氧化性能的方法。

技术背景

钛铝合金具有密度低、比强度高、弹性模量高、高温抗蠕变能力好等优点，是一种极具应用前景的高温材料，被应用于航空发动机高压压风机和涡轮叶片等高温零部件。然而，钛铝合金的实际使用温度被限制在750℃以下，由于在更高温度下，钛和铝与氧的亲和能力差不多，合金表面形成的是TiO₂和Al₂O₃混合层，氧化膜的生长速率很快，容易发生剥落。

为克服以上不足，国内外学者采用了合金化、离子注入法、表面涂层和阳极氧化等方法改性来提高钛铝合金的服役温度。合金设计主要包括两个方面，一是提高TiAl合金中基本元素Al的含量，这固然有利于其抗氧化性能的改善,但Al含量不宜太高,否则一旦析出脆性的TiAl₃将影响其力学性能。二是通过加入第三种或者多种合金元素，如：Nb,Sb,Si,Cr,Y,Mo等虽然也可有效改善TiAl合金的高温抗氧化性能，但加入量过高通常会导致TiAl合金力学性能下降。离子注入法虽然注入量可控、重复性较好，但涉及的设备较昂贵、生产效率较低，且对TiAl合金成分改变的深度仅局限在表面较浅的范围(<1μm)。而防护涂层，如金属涂层MCrAl(Y)，陶瓷涂层(如SiO₂、Al₂O₃和ZrO₂等)，以及扩散涂层(如Al、Si等)等虽然可作为屏蔽层阻挡氧气向基体渗透，但各自仍存在一定的问题。金属涂层与基体间的互扩散较严重，界面易析出硬脆相，同时产生柯肯达尔孔洞，严重降低了涂层与基体的结合强度；陶瓷涂层内应力较大且与基体结合强度较低；扩散涂层与基体热膨胀系数相差较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有钛铝合金抗高温氧化能力不足，提供一种工艺简单、操作方便、效率高、易于实现的提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，显著提高了钛基合金在1000℃高温下的抗氧化性能。

一种提高钛基合金抗高温氧化性能的方法，包括以下步骤：

1)首先去除钛基合金基体的表面氧化物，然后清洗、干燥；

2)采用离子注入法向经步骤1)处理后的钛基合金基体中注入特征离子；所述的特征离子为Cr、Y、Nb、F、Cl离子中的一种或任意几种；

3)按照体积比为(50-100):(50-100)：(1～10)将无水乙醇、水和前躯体硅酸烷基酯混合，然后用酸调混合体系pH至2.0～6.0，室温下搅拌2～48h，得到前躯体溶液；

4)在两电极槽中加入配好的前躯体溶液，以注入了特征离子的钛基合金为阴极，铂片或石墨作为对电极，电极间距控制在1-10cm，控制电流密度为-0.1mAcm^-2～-5.0mAcm^-2进行电沉积，沉积时间为30s～1000s，沉积完成后将工作电极水洗后于40～150℃烘干，从而在钛基合金表面得到微纳米氧化物涂层；

5)将覆盖有微纳米氧化物涂层的钛基合金在空气中于600～700℃下热处理10～60min，即在钛基合金表面得到抗高温氧化涂层。

进一步，所述的钛基合金为含铝的钛基合金。

更进一步，所述的钛基合金选自Ti₃-Al、Ti-Al、Ti-Al₃、Ti-6Al-4V、TiAlNb、Ti-47Al-2Cr-2Nb中的一种。

进一步，步骤1)中，可用砂纸将钛基合金基体打磨去除表面氧化物；清洗试剂可采用丙酮、乙醇等，优选采用超声进行多次清洗。

进一步，所述的硅酸烷基酯优选正硅酸乙酯(TEOS)、正硅酸甲酯(TMOS)中的一种或两种的混合。

进一步，步骤2)中，特征粒子的注入剂量为1×10¹⁵～1×10²⁰cm^-2。

更进一步，步骤2)所述的离子注入法具体按照如下操作：往经步骤1)处理后的钛基合金基体中注入特征离子，注入能量为40-80keV，注入剂量为1×10¹⁵～1×10²⁰cm^-2，注入后将钛基合金在200～400℃下真空退火0.5～4h。