[发明专利]一种镧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

本发明公开了一种镧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‑La合金热浸渗熔液；三、采用原位自生成分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‑La合金层的镧改性Ti‑Al‑Si梯度涂层；四、将带有镧改性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层的镧改性Ti‑Al‑Si梯度涂层。本发明是利用镧元素具有改变Ti(Al,Si)₃的晶体结构提升其断裂韧性，抑制τ₂:Ti(Al,Si)₂相，增强α‑Al₂O₃层粘结性和致密性的作用；原位自生成分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‑La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处理技术领域，具体涉及一种镧改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法。

背景技术

钛和钛合金因具有强度高、硬度高、密度小、耐蚀耐热性能好等优点使得它可以被广泛应用于航空工业的航空发动机中。目前先进航空发动机中，高温钛合金用量已占到发动机总重量的25％-40％，但是钛合金在600℃存在“热障”温度。即当钛合金的服役温度高于600℃时，氧元素进入钛合金基体，形成钛的氧化膜，首先氧化膜厚度随着氧元素在基体中的扩散而增加，这降低了氧化膜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，这导致晶格畸变并降低基板的机械性能，使得钛合金的抗高温氧化性能急剧下降，这是限制钛合金发展的重要原因之一。

为了有效改善钛合金的性能，目前应用最广泛的方法是在钛合金表面制备具有优良抗氧化性的涂层。研究较多的是Ti合金表面生成Ti-Al-Si梯度涂层。由于Si元素的加入，可以减少镀层中横向裂纹的数量,故Al-Si层脆性较小，镀层不易脱落。值得注意的是，此时梯度涂层存在两个主要问题：1)当熔融温度在950℃时，涂层有明显的裂纹，裂纹主要是由于基体与涂层之间的热膨胀系数相差较大形成的；2)梯度涂层致密的固溶Si原子的Ti(Al,Si)₃相层很薄，无法有效保护基体。

在材料表面改性层内添加微量稀土元素La，可以改善改性层的致密性及其与基体的结合力，降低氧化速率，提高氧化膜的抗剥落性能，从而显著改善改性层的抗高温氧化性。不仅如此，稀土元素还能使镀层组织均匀，细化晶粒，细小的共晶组织能阻止裂纹的扩展，从而降低镀层脆性。

将带有镧改性Ti-Al-Si梯度涂层的钛或钛合金放入高温炉进行预氧化，主要是为了将最外层镧改性Al-Si液相层转变为致密含SiO2颗粒的α-Al₂O₃层的镧改性Ti-Al-Si梯度涂层。

本发明在Al-Si梯度熔体中添加微量镧元素，可以有效增加TiAl₃二次固溶体相层的厚度，抑制τ₂:Ti(Al,Si)₂相的形成，大大增加Al-Si梯度涂层对基体的保护作用。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，使得钛合金表面原位自生Ti-Al-Si梯度热浸渗涂层致密层厚度增加，使之能更好的保护基体，提高抗高温氧化性能。

本发明的另一目的在于，提供一种镧改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层制备方法，该制备方法包括以下步骤：