[发明专利]TiAl基合金表面防护的Ta-Zr合金涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种TiAl基合金表面防护的Ta‑Zr合金涂层，属于金属材料表面工程技术领域，所述的Ta‑Zr合金涂层从表层由外至内依次为沉积层、扩散层；所述的沉积层厚度为5~10μm；所述的扩散层的厚度为1~5μm；合金涂层中，Ta占70wt%~90wt%，余量为Zr；本发明还公开了TiAl基合金表面防护的Ta‑Zr合金涂层的制备方法，该方法制得的涂层表面均匀致密，无孔洞和裂纹产生；涂层成分、组织均呈梯度分布，综合性能优异；基材表面的Ta‑Zr合金涂层硬度远高于基体，可以大幅度地提高TiAl基合金的抗高温氧化性和耐磨性。

技术领域

本发明属于金属材料表面工程技术领域，具体是指一种TiAl基合金表面防护的Ta-Zr合金涂层及其制备方法。

背景技术

Ti-Al系金属间化合物（以下简称TiAl基合金）以其比强度高、耐蚀性强、良好的高温抗氧化性能和生物相容性好等优点被广泛应用于航空航天、化工、航海、医疗等行业，同时随着世界航空宇航事业迅猛发展对高性能新材料的迫切需要使其成为各国航空、航天、军工等重要工业部门积极支持并组织研究的热点材料。由此可见，TiAl基合金是世界航空宇航工业中最为重要也最有前途的结构材料之一。然而，TiAl基合金的抗高温氧化性能，耐磨损性能不足限制了其在高温航空航天业的适用性。

在使用温度高于650°C时，TiAl基合金表面主要形成松散的TiO2和Al2O3混合氧化膜而非致密的保护性Al2O3膜，从而导致耐高温氧化性能的不足。其原因是钛氧化物和铝氧化物具有相似的热力学稳定性，在氧化过程中发生选择氧化，而TiO2的形成速度要大于Al2O3的形成速度。在高温下，二氧化钛的相变导致体积膨胀，使氧化膜变得疏松。因此，在TiAl基合金表面形成一个无保护性的TiO2和Al2O3氧化物薄膜，无法阻止氧、氯原子及其他有害原子向基体扩散渗透，当达到其临界应力水平时，氧化膜容易发生脱落。表现出抗高温氧化性能及耐磨损性能的不足。

工件的氧化和磨损往往都是从表面开始的，表面的失效往往会导致整个零件的损坏。因此，对TiAl基合金部件进行表面处理是提高其耐磨及高温氧化性能的最有效途。通过合理的选材，适当地进行表面改性与表面涂渡层处理，可以在TiAl基合金表面形成合金涂层，从而阻碍氧、氯原子及其他有害原子向基体的扩散，并提高表面硬度，提高TiAl基合金的综合性能。

然而，国内外在提高TiAl基合金抗高温氧化性能及耐磨损性能方面虽然取得了一定的成果，但目前上述的手段均存在一定的问题。存在的问题是上述的技术手段所形成的改性层对基体的保护作用有限，膜层与基体的结合强度较差，很容易剥落而失去防护效果，并且很多技术手段成本高，要求待加工的工件尺寸、形状有一定限制，因此存在很大的局限性。而飞机中大量的TiAl基合金的使用，迫切需要提高其耐氧化腐蚀及耐磨性能，因此上述方法并不适合我国目前的制造现状。