[发明专利]一种γ-TiAl基合金表面抗高温腐蚀冲蚀涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种γ‑TiAl基合金表面抗高温腐蚀冲蚀涂层及其制备方法，属于防护涂层技术领域。涂层为TiAlSiN或CrAlSiN涂层，采用真空物理气相沉积的方法制备。本发明所述涂层高温热暴露过程中涂层表面氧化膜中能够形成连续的Al₂O₃层，兼具较好的抗高温氧化和抗冲蚀性能，而且由于高温下涂层与γ‑TiAl基合金界面能原位生成Ti₅Si₃等扩散阻挡层，因此涂层与合金之间的互扩散非常轻微，涂层服役寿命大幅提高。

技术领域

本发明涉及防护涂层技术领域，具体涉及一种γ-TiAl基合金表面抗高温腐蚀冲蚀涂层及其制备方法。

背景技术

γ-TiAl基合金重量轻、强度高，作为结构材料在航空、能源、汽车等行业都有很好的应用前景。但是，当其作为高温结构材料，例如发动机的叶片材料在800℃及以上温度使用时，表面形成较厚的氧化钛和氧化铝混合氧化物膜，抗氧化性能明显下降，而且在高温氧化环境中热暴露后，氧在合金表面的固溶导致合金脆性增大。表面预处理或施加防护涂层可显著提高γ-TiAl基合金的抗高温氧化性能，例如在γ-TiAl基合金表面施加MCrAlY涂层，TiAlCr涂层，TiAlN和CrAlN涂层、渗铝或铝硅等，以及卤化处理(Halogen effect)等。其中，氮化物涂层不仅具有较好的抗高温氧化性能，还具有较高的硬度，作为γ-TiAl基合金的抗高温腐蚀冲蚀涂层独具优势。但是，到目前为止，关于氮化物涂层对γ-TiAl基合金抗高温氧化性能影响的研究结果表明[参见文献：①M,Braun R,LeyensC.Oxidation resistant coatings in combination with thermal barrier coatingsonγ-TiAl alloys for high temperature applications.SurfaceCoatingsTechnology,2006,201:3911–3917；②Moser M,Mayrhofer P H,Clemens H.On theinfluence of coating and oxidation on the mechanical properties of aγ-TiAlbased alloy.Intermetallics,2008,16:1206–1211；③Braun R,Rovere F,Mayrhofer PH,et al.Environmental protection ofγ-TiAl based alloy Ti-45Al-8Nb by CrAlYNthin films and thermal barrier coatings.Intermetallics,2010,18:479–486]，虽然CrAlYN和TiAlCrYN等涂层在800℃-900℃一定程度上提高了γ-TiAl基合金的抗高温氧化性能，但高温下尤其是850℃以上时，氮化物涂层中N向γ-TiAl基合金中扩散严重，致使涂层退化分解，同时合金表层形成较厚的氮化物层，氮化物涂层的抗氧化性能明显降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种γ-TiAl基合金表面抗高温腐蚀冲蚀涂层及其制备方法，本发明的抗高温腐蚀冲蚀涂层为含少量Si的氮化物涂层，具体为TiAlSiN或CrAlSiN涂层。TiAlSiN或CrAlSiN硬度高，而且高温热暴露过程中涂层表面氧化膜中能够形成连续的Al₂O₃层，抗高温氧化性能好，因此可显著地提高γ-TiAl基合金的抗高温腐蚀冲蚀性能，同时，在高温热暴露过程中涂层中的Si的内扩散可促使氮化物涂层和γ-TiAl基合金界面原位形成Ti₅Si₃等扩散阻挡层，该扩散阻挡层可有效抑制氮化物涂层与γ-TiAl合金基材的互扩散，尤其是氮的内扩散，明显降低涂层退化速率，因此，涂层的服役寿命大幅提高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种γ-TiAl基合金表面抗高温腐蚀冲蚀涂层，该抗高温腐蚀冲蚀涂层为TiAlSiN涂层或CrAlSiN涂层，制备于γ-TiAl基合金基体表面。