[发明专利]一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钛合金表面耐高温涂层及其制备方法，所述涂层的原始原料的成分体系为：(45~75)%Al‑(10‑20)%Nb‑(5‑20)%Si‑(0~15)%B‑(0~20)%B₄C‑(0~10)%C，本发明采用激光表面合金化的方式，在钛合金表面制备原位生成的耐高温涂层与基体呈典型的冶金结合，这种涂层不仅具有优异的抗高温氧化、磨损性能，同时，涂层的厚度也得到了大幅度提高，很好地解决了现有技术中存在的涂层厚度、硬度、耐磨性难以均衡提高的问题，极具应用前景。

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，尤其涉及一种具有优异的抗高温氧化、磨损性能的钛合金表面耐高温涂层及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金密度小、比强度高、抗蚀性优异和无磁，且具有形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，易于加工成形和焊接，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护和医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。与镍基高温合金相比，钛及钛合金具有更低的密度，更高的高温力学性能和优良的抗蠕变性能，是新一代飞机和先进航空发动机的首选材料。目前，钛合金用量占飞机结构重量的比例已成为衡量飞机先进程度的指标之一。随着飞机性能的提升，特别是航空发动机推重比的提高，钛及钛合金的需求量将急剧增加。

然而，钛及钛合金硬度低、抗磨损性能和抗高温氧化性能差，严重限制了其在航空工业中的应用范围。首先，钛及钛合金硬度低，耐磨性差，极易在干摩擦磨损条件下发生严重的粘着磨损和磨粒磨损，从而导致构件的失效。其次，钛及钛合金的抗高温氧化性差，严重制约了钛及钛合金长期服役的最高温度。传统钛合金长期服役的最高使用温度不超过350℃，即使是新型的高温钛合金，也只能在略高于500℃的温度下使用，这就极大的限制了钛及钛合金在航空发动机中的应用。以航空工业中应用最为广泛的(α+β)型钛合金Ti-6Al-4V为例，其长期服役的最高使用温度仅为350℃，只能用来制造航空发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。当服役温度超过其最高使用温度时，将出现严重的氧化及氧脆问题。高温时，氧向基体扩散，使氧化膜增厚，导致氧化膜与基体结合强度降低并发生剥落，从而使氧化膜失去保护作用；另一方面，氧的渗入引起基体晶格畸变和形成有序相，在合金表面产生脆性层，导致合金的力学性能严重下降。由于摩擦磨损及高温氧化行为主要发生在材料的表面，因此采用合适的表面处理技术，在钛及钛合金表面制备具有特殊功能的涂层，可以有效提高钛及钛合金的表面硬度、抗磨损性能和抗高温氧化性能，例如，专利201510567419.X公开的一种钛合金高温防护Al-Si共渗涂层及其制备方法，在钛合金表面采用冷喷涂Al-Si和热扩散处理制备Ti(Al,Si)₃的共渗涂层。涂层成分为Ti(Al,Si)₃，Si在涂层中均匀分布，涂层厚度在20μm以上。然而，该方法制备的涂层厚度较小，无法适应长期高温服役的需求。

专利CN201210216709.6公开了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，先通过双辉等离子表面冶金技术在钛合金表面制备Al-Cr-Ni合金层，然后对Al-Cr-Ni合金层进行离子渗氧处理，最终得到由Al₂O₃、Cr₂O₃和NiO₂组成的涂层面层、由Al-Cr-Ni合金层组成的涂层中间层，涂层与基体间由Al-Cr-Ni-Ti互扩散层实现冶金结合。涂层最大厚度约为16μm。但该方法制备的涂层也存在厚度小的问题。