[发明专利]一种铬改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铬改性钛及钛合金原位自生Ti‑Al‑Si梯度涂层及其制备方法。该方法包括：一、对钛或钛合金表面除油清洗；二、配置Al‑Cr合金热浸渗熔液；三、采用自生梯度热浸渗法在钛或钛合金表面形成具有Ti(Al,Si)₃和Al‑Si‑Cr合金层的铬改性Ti‑Al‑Si梯度涂层；四、将带有铬改性Ti‑Al‑Si梯度涂层的钛或钛合金进行高温预氧化，最终形成自基体向外分别是致密连续的TiAl合金层、高断裂韧性Ti(Al,Si)₃层、致密含SiO₂颗粒的α‑Al₂O₃层的铬改性Ti‑Al‑Si梯度涂层。本发明是利用铬元素具有降低氧化速率，使τ₂:Ti(Al,Si)₂相由块状转变成岛状，减少裂纹源，增强α‑Al₂O₃层粘结性和致密性的作用；自生梯度热浸渗法能够制备具有Ti(Al,Si)₃和Al‑Si合金层的Ti‑Al‑Si梯度涂层；高温预氧化能将基体/Ti(Al,Si)₃反应生成TiAl合金层，Al‑Si‑Cr合金层氧化成含SiO₂颗粒的α‑Al₂O₃层的原理和方法来制备力学性能和抗高温热腐蚀性能都优异的钛及钛合金涂层。

技术领域

本发明涉及钛合金表面涂层改性领域，通过加入铬元素，对传统铝基涂层进行改性及制备一种原位自生Ti-Al-Si梯度涂层。

背景技术

高温钛合金及钛铝金属间化合物的使用温度可达600~1000℃。但是由于钛的溶氧度较高，在高温氧化条件下很容易发生溶氧致脆和表面氧化问题，进而严重影响钛合金的热稳定性和使用寿命。因此，提高钛合金的高温抗氧化性能成为扩大其应用范围的关键。

合金化可改变钛合金的成分和组织，从而能改善其表面氧化膜的形态，改善其在高温下的抗氧化性能。然而, 合金化只能在一定程度上提高钛合金的抗氧化性能。一方面，随氧化时间和温度的增加，其保护能力会显著下降。一旦氧化膜薄弱处出现缺口，氧元素进入钛合金基体形成钛的氧化膜，降低与基体之间的结合强度，并导致氧化膜从基体剥落。其次，有序相和脆性层在基体表面形成，导致晶格畸变并降低基体的机械性能。另一方面，当少量添加抗氧化合金元素时，其抗氧化效果并不明显，而大量添加又会导致合金机械性能下降。因此，合金化并不是提高钛合金高温抗氧化性能的理想方法。为了长时间有效地对钛合金进行高温防护，施加合适的高温防护涂层是目前唯一的选择。

传统的钛表面高温防护涂层常用热扩散渗铝来制备。对钛合金进行高温扩散渗铝,能在钛合金表面形成富含TiAl₃的涂层，而在所有的Ti-Al系金属间化合物中，只有TiAl₃能够在氧化过程中形成Al₂O₃膜，这正是其抗氧化的关键成分。但是传统的铝基涂层脆性大，易出现横向裂纹，实际使用性能并不高。研究表明, 加入Si元素可有效减少涂层中裂纹数量，且Al-Si层脆性小，与基体结合较紧密不易脱落。

为进一步改善渗铝涂层的高温性能，可进行二元共渗。查阅资料可得，Cr改性的渗铝涂层可在钛合金表面形成具有塑性L1₂晶体结构的三元Ti-Al-Cr相，避免了单元渗铝过程中形成的脆性Ti Al₃相，从而展现出了优异的抗循环氧化性能。Nishimoto和Narita等在Ti-Al合金表面采用两步法先渗Cr而后渗Al，经过高温扩散形成了Ti-Al-Cr涂层，氧化过程中涂层表面形成了保护性的α-Al₂O₃膜，显著提高了基体合金的抗氧化能力。

发明内容

本发明采用原位自生成分梯度热浸渗的方法，目的在于增加Ti-Al-Si梯度涂层中致密层厚度，使 τ₂:Ti(Al,Si)₂相由块状转变成岛状，减少裂纹源；降低其氧化速率，提高涂层的抗高温氧化性能。