[发明专利]γ-TiAl合金表面的Al2O3-Y2O3/Al-Y复合防护涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种γ‑TiAl合金表面的Al₂O₃‑Y₂O₃/Al‑Y复合防护涂层及其制备方法。该复合涂层由表及里依次包括Al₂O₃‑Y₂O₃陶瓷层、Al‑Y金属层和Al‑Y扩散层。制备方法：首先采用磁控溅射法在γ‑TiAl合金表面制备Al‑Y镀层，然后采用磁控反应溅射法在Al‑Y镀层表面制备Al₂O₃‑Y₂O₃镀层，最后进行真空扩散退火处理，提高涂层与基体之间的结合力。本发明在陶瓷层与基体中间设计了金属层，并在复合涂层中添加了稀土元素Y，缓解涂层之间的应力、提高抗高温氧化性能，最终提高了γ‑TiAl合金的抗高温氧化性能，进而有效改善了传统复合涂层之间结合力差、抗高温氧化性能不足的缺陷。

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种γ-TiAl合金表面的Al₂O₃-Y₂O₃/Al-Y复合防护涂层及其制备方法。

背景技术

航空发动机的性能、推重比及使用寿命对航空飞机的使用有直接必然的联系，因而对材料的选择极其重要。纵观航空发动机材料的使用情况，镍基高温合金占据主要比例，然而由于其价格昂贵、使用温度有限等自身缺点逐渐被取代。新一代高比重的航空发动机在高温环境中使用的叶片、盘、机匣、转子等结构件的设计起着关键的作用。Ti-Al系金属间化合物作为一种新型轻质高温结构材料，具有高的比强度、比模量、抗蠕变性及优良的高温强度、刚度等性能，使其有望替代镍基或铁基高温合金成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的结构材料之一，具有重要的工程化应用潜力。

γ-TiAl合金是典型的非整比型，在熔点以下具有稳定的L₁₀型面心四方结构。在物理特性方面，与其他Ti合金、Ti₃Al相比，γ-TiAl合金熔点高达1460℃，密度较低，仅为3.7～3.9g/cm³，弹性模量、抗蠕变极限等各方面均具有优势。与镍基高温合金相比，密度仅仅是其一半，但其他各方面性能非常相似。由于合金中化学元素的存在，α₂相约占2％～20％，其余为γ相，从而使合金具有极高的机械强度。正是由于γ-TiAl合金有此优点，弥补了Ti基合金和镍基高温合金在应用上受限的不足，因此被认为是航空航天领域的潜力股，尤其是为航空发动机领域带来了福音。

然而，当外界温度超过700℃时，γ-TiAl合金的抗氧化性能极具下降。主要是由于内外层分别形成了结构疏松的TiO₂层和TiO₂+Al₂O₃的混合物，合金表面最终将难以形成均匀致密的Al的氧化物保护屏障。氧化膜主要成分为不同价态的Ti氧化物和Al₂O₃。Al氧化物的生成速度远远低于Ti氧化物的生成速度。这种特性最终可能导致两种结果，一是形成新的Ti氧化物通道同时生成 Al₂O₃+TiO₂的混合物；二是在内层形成Al₂O₃+TiO₂的混合物。与此同时，氧化层与基体合金的交界是一层富Al层和一层溶解了大量O的贫Al层，即在金属基体和氧化物的结合界面处形成Al的耗尽层。这种情况将导致形成一层O的影响区，该影响区一般质脆，使力学性能下降，最终导致涂层断裂。

传统的工艺很难满足现代技术的要求，表面工程技术成为近年来提高抗高温氧化的方法之一，引起越来越多人的关注。表面工程以损耗低、操作方便、使用面广等优点被广泛应用，使得表面工程产业化在航空、航天、新能源、新材料中得到快速发展。随着等离子体表面冶金技术的发展，对研制出致密、抗剥落、耐高温的防护涂层提出了更高标准的要求。

发明内容