權(quán)利要求
1.TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，陶瓷面層為納米Y 2O 3-ZrO 2熱障層，采用超音速火焰噴涂；底層為NiCoCrAlYTa粘結(jié)層，采用大氣等離子噴涂；復(fù)合涂層與基體間形成機(jī)械結(jié)合，經(jīng)過高溫氧化后，會形成更加牢固的冶金結(jié)合。2.如權(quán)利要求1所述TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，所述陶瓷面層由5wt.％-8wt.％Y 2O 3與ZrO 2納米團(tuán)聚粉末噴涂而成，所述團(tuán)聚粉末的粒徑為26～53μm；所述粘結(jié)層是由合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂制成，粘結(jié)層化學(xué)成分為20-25wt.％的Co、20-25wt.％的Cr、6-10wt.％的Al、1-5wt.％的Ta、0.1-1wt.％的Y，余量為Ni，所述合金粉末的粒徑為44～74μm。 3.如權(quán)利要求1所述TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，所述復(fù)合涂層整體厚度為300-400μm，其中納米Y 2O 3-ZrO 2陶瓷面層厚度為200-250μm，NiCoCrAlYTa粘結(jié)層厚度為100-150μm。 4.如權(quán)利要求1-3任一所述TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于具體包括以下步驟： (1)先將TiAl合金表面進(jìn)行預(yù)處理，后將帶有TiAl合金的工裝安裝至超音速火焰機(jī)床中； (2)使用超音速火焰噴涂技術(shù)將所述的合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂至TiAl合金表面，形成粘結(jié)層；超音速火焰噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為： 氧氣流量：1800-1900SCFH； 煤油流量：6-7GPH； 氣體流量：20-25SLPM； 送粉量：4-6RPM； 噴槍與工件間距：300-400mm； 機(jī)床轉(zhuǎn)速：150r/min； (3)停止超音速火焰噴涂，完成粘結(jié)層的制備，工裝冷卻至室溫后，安裝至大氣等離子機(jī)床中； (4)使用大氣等離子噴涂技術(shù)將納米團(tuán)聚粉末YSZ噴涂到粘結(jié)層表面，形成陶瓷面層； (5)停止大氣等離子噴涂，完成陶瓷面層的制備，冷卻至室溫，得到高溫抗氧化的復(fù)合涂層。 5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)表面預(yù)處理過程中，線切割后進(jìn)行表面磨平，再使用16～24號剛玉進(jìn)行噴砂處理，使用口徑為10mm的噴槍，0.7GPa的工作壓力，噴距為120～150mm，使表面粗糙度達(dá)到4～6μm。 6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)制備粘結(jié)層的過程中，N 2為保護(hù)氣體，氣體流量為20-25SLPM。 7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述大氣等離子噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為： 噴涂電壓：30-35V； 噴涂電流：550-600A； 氣體流量：50-55SLPM； 送粉量：4-6RPM； 噴槍與工件間距：100-200mm； 機(jī)床轉(zhuǎn)速：100r/min。 8.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)制備陶瓷面層的過程中，以Ar和H 2為工作氣體，其中Ar的氣體流量為38-40SLPM，H 2的氣體流量為12-15SLPM。
說明書
一種TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于高溫合金復(fù)合涂層制造領(lǐng)域，具體是使用超音速火焰噴涂和大氣等離子噴涂技術(shù)相結(jié)合，在TiAl合金表面制備一種高溫抗氧化復(fù)合涂層。
背景技術(shù)
TiAl合金作為一種新型的高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料，由于其具有高比強(qiáng)度，低密度，優(yōu)異的耐腐蝕性和穩(wěn)定的高溫力學(xué)性能，正逐步取代Ti合金和Ni基高溫合金。近年來，TiAl合金已被研究且應(yīng)用于航天航空和汽車制造等領(lǐng)域，如渦輪葉片、排氣閥和渦輪增壓器轉(zhuǎn)子等。但是，當(dāng)工作溫度達(dá)到750℃以上時，TiAl基合金的抗氧化性能急劇下降，這主要原因是其自由表面上未形成致密的保護(hù)性氧化膜，而是形成疏松多孔的非保護(hù)性的TiO 2和Al 2O 3混合層。
為了解決這一問題，提高TiAl基合金在高溫下的抗氧化性，當(dāng)前關(guān)于這方面的研究主要分為兩個方向：1.通過添加合金元素和改善制備工藝來調(diào)控合金內(nèi)部組織，以提高合金高溫抗氧化性能；2.通過表面改性技術(shù)，以阻止空氣侵入基體。然而，添加合金元素的方法往往會導(dǎo)致其他性能發(fā)生改變，如室溫延性和抗蠕變性能。因此，通過使用合金元素來提高TiAl基合金的抗氧化性并不總是合理的，從而表面改性技術(shù)可成為更好的研究方向。
表面改性技術(shù)包括表面合金化技術(shù)和表面涂層技術(shù)，表面合金化技術(shù)一般采用熱擴(kuò)散、離子注入、激光表面合金化等方法，該方法對抗氧化性能提升效果較弱，且工業(yè)生產(chǎn)難度較大。表面涂層技術(shù)是采用表面工程技術(shù)手段將不同種類的涂層(Al-X體系、Ti-Al-X體系、MCrAlY體系、陶瓷涂層、復(fù)合涂層等)噴涂至基體表面，改善基體的表面性能。目前，表面制備技術(shù)手段主要為電化學(xué)沉積、磁控濺射、等離子噴涂、激光熔覆、超音速火焰等。但上述方法均存在一些問題，如電化學(xué)沉積和磁控濺射工藝復(fù)雜，對原材料和基體規(guī)格要求較高，難以工業(yè)化，等離子噴涂的涂層與基體的結(jié)合性能較差，激光熔覆效率低，成本高。因此開發(fā)新的噴涂工藝至關(guān)重要，同時在抗氧化涂層領(lǐng)域，單一的涂層已滿足不了現(xiàn)如今的應(yīng)用需求，主要集中研究制備新型復(fù)合涂層和改性涂層。
在文獻(xiàn)“Microstructural characterization of YSZ-CoNiCrAlY two-layeredthermal barrier coating formed onγ-TiAl intermetallic alloy via APS process”中提出，使用大氣等離子方法在合金表面制備了YSZ-CoNiCrAlY的復(fù)合涂層，顯著改善了合金的抗氧化性能；但由大氣等離子制備的CoNiCrAlY粘結(jié)層存在較多的微裂紋，對涂層性能產(chǎn)生不良影響，這表明MCrAlY體系粘結(jié)層的制備并不適合采用大氣等離子噴涂方法。
在文獻(xiàn)“CeO 2 doped Al 2O 3 composite ceramic coatings fabricated onγ-TiAl alloys via cathodic plasma electrolytic deposition”中，使用電化學(xué)沉積在合金表面制備含有CeO 2的Al 2O 3陶瓷涂層，相較于普通的Al 2O 3陶瓷涂層，CeO 2的摻雜提高復(fù)合涂層的均勻性和結(jié)晶性，但該方法制備的陶瓷涂層厚度較薄，硬度低、耐摩擦和抗氧化性能較差，在實際應(yīng)用中涂層壽命較短。
魏東博等人在公開專利發(fā)明中(公開號為CN 109207939 A)提出，在合金表面制備復(fù)合涂層，包括NiCrAlSi粘結(jié)層、等離子滲氧陶瓷膜、CeO 2摻雜YSZ隔熱層。CeO 2摻雜YSZ隔熱層具有耐高溫、耐磨損等優(yōu)異性能，等離子滲氧陶瓷膜能有效的阻擋氮、氧原子的內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)一步提高該涂層的抗氧化能力，NiCrAlSi粘結(jié)層提高了該涂層的結(jié)合能力。此復(fù)合涂層由三部分組成，制備工藝復(fù)雜，且采用的等離子刻蝕技術(shù)和多弧等離子鍍技術(shù)制備成本較高。
因此，開發(fā)出能夠大規(guī)模推廣的涂層制備工藝和涂層結(jié)構(gòu)，對于TiAl基合金在高溫領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)制備出的涂層抗氧化性能、結(jié)合力較差和工業(yè)化生產(chǎn)難度大等問題，將超音速火焰噴涂技術(shù)和大氣等離子噴涂技術(shù)相結(jié)合，提供了一種TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層及其制備方法，從而提高TiAl基合金的高溫抗氧化性。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，陶瓷面層為納米Y 2O 3-ZrO 2熱障層，采用超音速火焰噴涂；底層為NiCoCrAlYTa粘結(jié)層，采用大氣等離子噴涂；復(fù)合涂層與基體間形成機(jī)械結(jié)合，經(jīng)過高溫氧化后，會形成更加牢固的冶金結(jié)合。
進(jìn)一步地，所述陶瓷面層由5wt.％-8wt.％Y 2O 3與ZrO 2納米團(tuán)聚粉末(YSZ納米粉末)噴涂而成，所述團(tuán)聚粉末的粒徑為26～53μm；所述粘結(jié)層是由合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂制成，粘結(jié)層化學(xué)成分為20-25wt.％的Co、20-25wt.％的Cr、6-10wt.％的Al、1-5wt.％的Ta、0.1-1wt.％的Y，余量為Ni，所述合金粉末的粒徑為44～74μm。
進(jìn)一步地，所述復(fù)合涂層整體厚度為300-400μm，其中納米Y 2O 3-ZrO 2陶瓷面層厚度為200-250μm，NiCoCrAlYTa粘結(jié)層厚度為100-150μm。
如上所述TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法，具體包括以下步驟：
(1)先將TiAl合金表面進(jìn)行預(yù)處理，后將帶有TiAl合金的工裝安裝至超音速火焰機(jī)床中；
(2)使用超音速火焰噴涂技術(shù)將所述的合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂至TiAl合金表面，形成粘結(jié)層；超音速火焰噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為：
氧氣流量：1800-1900SCFH；
煤油流量：6-7GPH；
氣體流量：20-25SLPM；
送粉量：4-6RPM；
噴槍與工件間距：300-400mm；
機(jī)床轉(zhuǎn)速：150r/min；
(3)停止超音速火焰噴涂，完成粘結(jié)層的制備，工裝冷卻至室溫后，安裝至大氣等離子機(jī)床中；
(4)使用大氣等離子噴涂技術(shù)將納米團(tuán)聚粉末YSZ噴涂到粘結(jié)層表面，形成陶瓷面層；
(5)停止大氣等離子噴涂，完成陶瓷面層的制備，冷卻至室溫，得到高溫抗氧化的復(fù)合涂層。
進(jìn)一步地，步驟(1)表面預(yù)處理過程中，線切割后進(jìn)行表面磨平，再使用16～24號剛玉進(jìn)行噴砂處理，使用口徑為10mm的噴槍，0.7GPa的工作壓力，噴距為120～150mm，使表面粗糙度達(dá)到4～6μm。
進(jìn)一步地，步驟(2)制備粘結(jié)層的過程中，N 2為保護(hù)氣體，氣體流量為20-25SLPM。
進(jìn)一步地，步驟(4)所述大氣等離子噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為：
噴涂電壓：30-35V；
噴涂電流：550-600A；
氣體流量：50-55SLPM；
送粉量：4-6RPM；
噴槍與工件間距：100-200mm；
機(jī)床轉(zhuǎn)速：100r/min。
進(jìn)一步地，步驟(4)制備陶瓷面層的過程中，以Ar和H 2為工作氣體，其中Ar的氣體流量為38-40SLPM，H 2的氣體流量為12-15SLPM。
本發(fā)明具有如下有益效果：
(1)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的YSZ陶瓷涂層相比，本發(fā)明采用的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷涂層表面更致密，無顯著的孔洞和裂紋，有效的起到熱障層以及阻隔空氣侵入的作用，大幅度提高了TiAl合金的抗氧化性能。
(2)本發(fā)明的NiCoCrAlYTa粘結(jié)層是采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備而成，該類涂層普遍采用大氣等離子技術(shù)噴涂制備，但相對于大氣等離子噴涂技術(shù)，超音速火焰噴涂可以在較低的工藝溫度前提下，就能使粉末顆粒獲得很大的動能，從而使粘結(jié)層的孔隙率和氧化夾雜含量低，具有良好的粘結(jié)性；納米YSZ陶瓷面層是采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備而成，該噴涂技術(shù)是通過放電產(chǎn)生的等離子體將陶瓷粉末加熱至熔融狀態(tài)，達(dá)到霧化狀態(tài)，噴射至基體表面，使其制得的陶瓷涂層致密且厚度可控。
(3)首次采用超音速火焰噴涂技術(shù)和大氣等離子噴涂技術(shù)相結(jié)合的方式制備納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層，該種噴涂工藝具有操作簡單、效率高、成本低以及大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的可行性高，同時制備出的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合結(jié)構(gòu)高溫抗氧化涂層性能優(yōu)良。
附圖說明
圖1為實施例1所制得的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的表面形貌；
圖2為實施例1所制得的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的截面形貌；
圖3為實施例1TiAl基體和復(fù)合涂層試樣在950℃氧化250h的增重曲線。
具體實施方式
為詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)特點和工藝方案，下面結(jié)合具體實施方式做進(jìn)一步闡述。
實施例1
本實例在TiAl合金表面制備高溫抗氧化復(fù)合涂層。所述的TiAl合金為Ti-44Al-4Nb-1.5Mo-0.2Y(at.％)。
所訴的陶瓷面層為納米Y 2O 3-ZrO 2熱障層，由8wt.％Y 2O 3-ZrO 2納米團(tuán)聚粉末噴涂而成，所述納米團(tuán)聚粉末的粒徑為26～53μm，厚度為200μm
所訴的底層為NiCoCrAlYTa粘結(jié)層，由合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂制成，其化學(xué)成分為25wt.％的Co、20wt.％的Cr、6wt.％的Al、2wt.％的Ta、1wt.％的Y，余量為Ni，所述合金粉末的粒徑為44～74μm，厚度為100μm。
本實施例制備納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的具體步驟如下：
(1)采用線切割將TiAl合金切割成60mm×30mm×4mm試樣后，進(jìn)行表面磨平，再使用16～24號剛玉進(jìn)行噴砂處理，使用口徑為10mm的噴槍，0.7GPa的工作壓力，噴距150mm，表面粗糙度達(dá)到4～6μm。后將帶有TiAl合金的工裝安裝至超音速火焰機(jī)床中。
(2)使用超音速火焰噴涂技術(shù)將所述的合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂至TiAl合金表面，形成粘結(jié)層；超音速火焰噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為：
氧氣流量：1800SCFH；
煤油流量：6GPH；
氣體流量：20SLPM；
送粉量：4RPM；
噴槍與工件間距：300mm；
機(jī)床轉(zhuǎn)速：150r/min；
N 2為保護(hù)氣體，氣體流量為20SLPM。
(3)停止超音速火焰噴涂，完成粘結(jié)層的制備，工裝冷卻至室溫后，安裝至大氣等離子機(jī)床中；
(4)使用大氣等離子噴涂技術(shù)將納米團(tuán)聚粉末YSZ噴涂到粘結(jié)層表面，形成陶瓷面層；大氣等離子噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為：
噴涂電壓：30V；
噴涂電流：550A；
氣體流量：50SLPM；
送粉量：4RPM；
噴槍與工件間距：100mm；
機(jī)床轉(zhuǎn)速：100r/min；
Ar和H 2為工作氣體，其中Ar的氣體流量為38SLPM，H 2的氣體流量為12SLPM。
(5)停止大氣等離子噴涂，完成陶瓷面層的制備，冷卻至室溫，得到高溫抗氧化的復(fù)合涂層。
所制得的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的表面如圖1所示，截面如圖2所示。制得的涂層均勻致密，無裂紋、孔洞等缺陷。
對納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的抗高溫氧化性能進(jìn)行評價，具體實驗方法如下：
從帶有涂層和不帶有涂層的TiAl合金上切取15mm×15mm×4mm的試樣，隨后浸泡在酒精溶液中進(jìn)行超聲波清洗并吹干；在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行等溫氧化實驗，溫度為950℃，氧化時間為250h，期間每隔10h進(jìn)行重量測量，得到氧化增重曲線如圖3所示。從圖中可以看出，兩種試樣的增重均隨氧化時間的延長而增加，但帶有涂層的試樣增重遠(yuǎn)低于基體，帶有涂層試樣的氧化增重值為3.7mg/cm 2，基體的氧化增重值為13.2mg/cm 2。同時氧化250h后，該復(fù)合涂層并未發(fā)生脫落，表明此工藝制備的復(fù)合涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能和附著性。
實施例2
本實例在TiAl合金表面制備高溫抗氧化復(fù)合涂層。所述的TiAl合金為Ti-48Al-2Nb-2Cr(at.％)。
所訴的陶瓷面層為納米Y 2O 3-ZrO 2熱障層，由8wt.％Y 2O 3-ZrO 2納米團(tuán)聚粉噴涂而成，所述粉末的粒徑為26～53μm，厚度為250μm
所訴的底層為NiCoCrAlYTa粘結(jié)層，由合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂制成，其化學(xué)成分為25wt.％的Co、20wt.％的Cr、10wt.％的Al、5wt.％的Ta、1wt.％的Y，余量為Ni，所述合金粉末的粒徑為44～74μm，厚度為150μm。
本實施例制備納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的具體步驟如下：
(1)采用線切割將TiAl合金切割成60mm×30mm×4mm試樣后，進(jìn)行表面磨平，再使用16～24號剛玉進(jìn)行噴砂處理，使用口徑為10mm的噴槍，0.7GPa的工作壓力，噴距120mm，表面粗糙度達(dá)到4～6μm。后將帶有TiAl合金的工裝安裝至超音速火焰機(jī)床中。
(2)使用超音速火焰噴涂技術(shù)將所述的合金粉末NiCoCrAlYTa噴涂到TiAl合金表面，形成粘結(jié)層；超音速火焰噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為：
氧氣流量：1900SCFH；
煤油流量：7GPH；
氣體流量：25SLPM；
送粉量：6RPM；
噴槍與工件間距：400mm；
機(jī)床轉(zhuǎn)速：150r/min；
N 2為保護(hù)氣體，氣體流量為25SLPM。
(3)停止超音速火焰噴涂，完成粘結(jié)層的制備，工裝冷卻至室溫后，安裝至大氣等離子機(jī)床中；
(4)使用大氣等離子噴涂技術(shù)將納米團(tuán)聚粉末YSZ噴涂到粘結(jié)層表面，形成陶瓷面層；大氣等離子噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)為：
噴涂電壓：35V；
噴涂電流：600A；
氣體流量：55SLPM；
送粉量：6RPM；
噴槍與工件間距：200mm；
機(jī)床轉(zhuǎn)速：100r/min；
Ar和H 2為工作氣體，其中Ar的氣體流量為40SLPM，H 2的氣體流量為15SLPM。
(5)停止大氣等離子噴涂，完成陶瓷面層的制備，冷卻至室溫，得到抗高溫氧化的復(fù)合涂層。
所制得的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層均勻致密，無顯著裂紋、孔洞等缺陷。
對納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的抗高溫氧化性能進(jìn)行評價，具體實驗方法如下：
從帶有涂層和不帶有涂層的TiAl合金上切取15mm×15mm×4mm的試樣，隨后浸泡在酒精溶液中進(jìn)行超聲波清洗并吹干；在箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行等溫氧化實驗，溫度為950℃，氧化時間為250h，期間每隔10h進(jìn)行重量測量，兩種試樣的增重均隨氧化時間的延長而增加，但帶有涂層的試樣增重遠(yuǎn)低于基體，帶有涂層試樣的氧化增重值為2.5mg/cm 2，基體的氧化增重值為14.1mg/cm 2。同時氧化250h后，該復(fù)合涂層并未發(fā)生脫落，表明此工藝制備的復(fù)合涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能和附著性。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明基本原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
全文PDF
TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法.pdf
聲明：
“TiAl合金表面的納米YSZ/NiCoCrAlYTa復(fù)合涂層的制備方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
1430
編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：北京科技大學(xué)
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術(shù)平臺
2025年03月28日 ~ 30日 
