[发明专利]一种钛合金表面复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钛合金表面复合涂层及其制备方法，所述复合涂层包括依次连接的钛合金基体、CoCrNiAlTi高熵合金涂层、NiCoCrAlY粘接层和YSZ‑Ag‑Mo高温固体自润滑涂层。所述制备方法包括以下步骤：对钛合金基体表面进行抛光预处理；利用双辉等离子表面冶金，以钛合金基体为工件极，CoCrNiAlTi和NiCoCrAlY靶材分别为两个源极，在钛合金基体的表面制备CoCrNiAlTi高熵合金涂层和NiCoCrAlY粘接层；利用多弧离子镀，在NiCoCrAlY粘接层的表面制备YSZ‑Ag‑Mo高温固体自润滑涂层。本发明的涂层表面质量好，与基体为冶金结合，具有较高的结合强度。

技术领域

本发明属于复合涂层及其制法，具体为一种钛合金表面复合涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金是应用于航空航天领域的首选材料，具有低密度、高比强度、良好的韧性与耐腐蚀性能等优点，特别是用于制造飞机机身、液压管道、蒙皮、紧固件以及航空发动机结构件。但随着航空航天工业的不断发展，钛合金机械零部件面临着更加苛刻的运作环境，特别是如何克服高真空度、宽温域服役环境中的摩擦是结构件面临的重大挑战。

YSZ（Y₂O₃稳定ZrO₂陶瓷层）陶瓷基高温固体自润滑涂层具有足够的高温强度、热稳定性、优良的抗磨损性能，通过添加CaF₂、BaF₂、MoO₃等固体润滑剂，YSZ陶瓷基高温固体自润滑涂层能够初步实现在低温与高温交变环境中的润滑减摩效果。但陶瓷涂层断裂韧性差、与金属基体热膨胀系数差别大，将单层陶瓷涂层应用于温度交替的服役环境中，服役寿命难以满足实际应用的需求。

NiCoCrAlY涂层既可以作为保护涂层提高基体的抗氧化性能、抗热腐蚀性能以及抗热疲劳性能，也广泛应用于基体合金与陶瓷涂层之间的粘接层以提高结合强度和服役寿命。但是将NiCoCrAlY应用于钛合金与YSZ陶瓷涂层之间的粘接层时，随着服役环境温度的升高，NiCoCrAlY粘接层与基体之间会发生合金元素互扩散现象。

宫雪在其硕士论文《TiAl基合金表面NiCoCrAlY(Ta,Mo)涂层的组织与抗氧化行为》中提到，涂层中的Al元素向内界面处扩散会消耗涂层中的Al含量，同时TiAl基合金中的Al、V向外扩散，在界面处形成V₂O₅、AlVO₄和NiCr₂O₄、Ni₃Al等脆性相，增加了内应力和内氧化速度，恶化了结合性能；合金元素发生互扩散后会形成克肯达尔空洞带，产生应力集中并在涂层与界面处形成微裂纹，造成涂层的过早失效。

在2011年出版的《Corrosion Science》第53卷第3期“Oxidation andinterfacial fracture behaviour of NiCrAlY/Al₂O₃ coatings on an orthorhombic-Ti₂AlNb alloy”一文中指出NiCrAlY粘接层与镍基合金基体和钛铝铌基合金基体之间均存在合金元素的扩散行为，以Al₂O₃涂层作为扩散障可以一定程度上阻碍合金元素的扩散行为，但是会影响涂层的抗氧化性能和力学性能。

多弧离子镀技术具有沉积温度低、薄膜均匀性好、绕镀性好、操作简单等优点，通过设计靶材的合金成分，可以得到均匀致密的YSZ陶瓷基高温固体自润滑涂层。采用双辉等离子表面冶金技术在陶瓷基涂层与基体之间设计并制备粘接层，以实现涂层与基体之间热膨胀系数的合理过渡，缓和复合结构涂层在冷-热循环交替的工作环境中产生的残余应力，防止涂层过早的开裂与剥落。但是在服役过程中，粘接层与基体之间的元素扩散现象会影响复合结构的粘接效果，仍然是保证服役的安全性而不可忽视的问题。