[发明专利]一种与基体冶金结合的高熵合金氮化物涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种与基体冶金结合的高熵合金氮化物涂层的制备方法，包括以下步骤：(a)对TiAl基合金表面进行预处理；(b)利用双层辉光等离子表面冶金法，在TiAl基合金表面制备AlCrTaTiZr高熵合金薄膜涂层；(c)利用双层辉光等离子表面冶金法，不断调整氮气与氩气的气体流量比，在AlCrTaTiZr高熵合金薄膜涂层表面制备(AlCrTaTiZr)N高熵合金氮化物薄膜涂层。本发明通过陶瓷化高熵合金氮化物涂层，有效提高了TiAl基合金的高温抗氧化性能以及抗烧蚀性能；通过梯度成分变化，显著提高了涂层与基体的结合强度，延长了TiAl基合金在高温下的服役时间。

技术领域

本发明属于高熵合金涂层的制法，具体为一种与基体冶金结合的高熵合金氮化物涂层的制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，飞行器中的高温部件逐渐面临着更加恶劣和严峻的服役环境。TiAl基合金因其比强度高、耐腐蚀性能优异、抗蠕变性能和抗热疲劳性能良好，在航空航天发动机等关键部位有着重要的价值，但其抗高温氧化性能差以及高温下耐磨性不足的缺点限制其在航空发动机上的进一步应用。再者，TiAl合金存在“钛火”故障，即钛合金零部件在特殊服役环境中如一定的温度、气压、及空气流速下发生快速的氧化燃烧。由于高温氧化行为和燃烧始端发生在TiAl基合金表面，采用表面改性在零部件表面制备耐高温涂层，保留了材料原有的整体性能，赋予了表面特殊性能。

夏长清在《中国有色金属学报》第20卷第6期“TiAl基合金高温氧化及防护的研究进展”一文中指出MCrAlY涂层因具有优异的抗氧化、抗热腐蚀性能及韧性优异广泛应用在Ni基高温合金的抗氧化涂层或热障涂层体系中基体与陶瓷涂层间的粘结层，但是涂层与基体之间存在明显的互扩散行为，并形成脆性金属间化合物层，造成柯肯达空洞的产生，降低涂层与基体的结合强度，严重影响了涂层在高温下的长时间高温氧化；单一成分的氧化物陶瓷涂层虽能在一定程度上改善TiAl基合金的抗高温氧化性能，但都存在与基体匹配不佳的缺点，如Al₂O₃薄膜脆性大，且与TiAl基合金热膨胀系数相差较大，且在1000°以上，抗循环氧化能力有限；以氧化物为基的搪瓷涂层经较高温长时氧化涂层剥落，结合力变差；TiAl基涂层由于与TiAl基合金属属于同一合金体系，可以有效缓解涂层与基体存在的成分差异和热膨胀系数差异大的问题，减少涂层的开裂和脱落，但是二元TiAl系涂层对铝的用量有严格的要求，当其使用温度超过850℃，抗氧化性能也会降低。

在这种背景下，高熵合金薄膜涂层凭借其优异的抗氧化性能、出色的相稳定性和优良的力学性能得到广泛重视。高熵合金由五种或者五种以上的元素以(近)等原子比组成的多主元合金材料。高熵合金由于具有高熵效应和迟滞扩散效应，因此偏向于获得热稳定性高的固溶体组织；高熵合金具有缓慢扩散效应，使得高熵合金薄膜在退火过程中元素也具较低的扩散速率，即在高温下也难以进行元素的再分布。当高熵合金中某些元素形成致密氧化膜之后，由此提高了高熵合金在高温下的抗氧化性能。高熵合金薄膜是一种低纬度形态(微米级)的高熵合金材料，不仅展现出与块体合金相似的优异性能，而且在某些性能升优于合金块体材料。