[发明专利]一种钛或钛合金表面制备Ti-Al系中间相/Ti-Al-C系MAX相复合涂层的方法

说明书

本发明公开了一种钛或钛合金表面制备Ti‑Al系中间相/Ti‑Al‑C系MAX相复合涂层的方法。该方法包括：一、对钛或钛合金表面除油清洗、助镀；二、采用热浸镀铝技术在钛或钛合金表面形成Ti‑Al系中间相层和纯铝层；三、将热浸镀后的钛或钛合金浸入NaOH热溶液中，溶解掉纯铝层，露出TiAl₃中间相层；四、将露出TiAl₃中间相层的钛或钛合金进行无氢渗碳，最终形成Ti‑Al系中间相/Ti‑Al‑C系MAX相复合涂层。本发明适合复杂结构的钛或钛合金工件制备Ti‑Al系中间相/Ti‑Al‑C系MAX相复合涂层，涂层与基体结合紧密，制备方法简便、成本低、易于实现。

技术领域

本发明涉及钛或钛合金表面处理技术领域，具体涉及一种钛或钛合金表面制备Ti-Al系中间相/Ti-Al-C系MAX相复合涂层的方法。

背景技术

钛及其合金具有重量轻、比强度大、耐热性强、耐腐蚀等优异的综合性能，被誉为“未来的金属”，是一类具有发展前途的新型结构材料。钛合金已广泛应用于国民经济各部门。它是火箭、导弹和航天飞机中不可缺少的材料。现如今也已经在船舶、化工、发电等许多工业部门中被广泛应用。

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。目前已广泛应用于先进航空发动机中，高温钛合金用量已占到发动机总重量的25％-40％，尽管钛及钛合金具有许多优异的性能，在各个领域得到广泛应用，但其也存在一些缺点。钛及钛合金的普遍缺点是表面硬度低(纯钛的硬度约为150-200HV，钛合金通常不超过350HV)，摩擦系数大，耐磨性差。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，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。为了提高钛合金的抗高温氧化性能，人们采用了多种方法对钛合金进行表面改性，最初选择在钛合金表面形成一层镀铝涂层，目的是希望得到致密的TiAl₃相层，而TiAl₃是所有Ti-Al系中间化合物中一种相对容易通过渗碳处理得到Ti-Al-C系MAX相涂层的钛铝化合物。

MAX相是一类新型三元层状化合物，由M、A和X三种元素组成，其化学通式表达为M_N+1AX_N，(其中，M：前过渡金属，A：A族元素，X：碳或氮，N＝1,2,3…)，兼具金属材料(优异的导电、导热性，机械加工性能，抗热震性能等)和陶瓷材料(高模量、耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性等)的优良性能。MAX相材料是一种新型可加工陶瓷材料，由于其独特的纳米层状的晶体结构,这类材料具有自润滑、高韧性的特点。

Ti₂AlC和Ti₃AlC₂是MAX相中最为典型的化合物，综合了金属与陶瓷的性能：既具有金属的高电导率、高断裂韧性、又具有陶瓷的高强度、优异的抗高温氧化性能、同时它还具有良好的可加工性能，因此Ti₂AlC和Ti₃AlC₂的应用前景非常广阔。这类特殊材料应用于钛及钛合金上不仅可以大大减少涂层开裂等危害，还可以提高涂层抗高温腐蚀和耐磨性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种钛或钛合金表面Ti-Al系中间相/Ti-Al-C系MAX相复合涂层的制备方法。该方法采用先热浸镀铝再无氢渗碳的逐步镀层方法，确保优先形成抗高温氧化性能优异的TiAl₃中间相层，然后进行无氢渗碳利用TiAl₃与活性碳原子反应在TiAl₃/C界面形成耐磨、抗高温氧化、耐腐蚀的Ti-Al-C系MAX相层。本发明适合复杂结构的钛或钛合金工件制备Ti-Al系中间相/Ti-Al-C系MAX相复合涂层，解决了涂层与基体间性能不匹配的问题。使涂层具有良好的热稳定性、高致密性以及优良的抗高温氧化性能，同时本发明发法还具有易于实现、成本低廉等优点。

本发明的另一目的在于，提供一种钛或钛合金热浸镀铝后无氢渗碳的Ti-Al系中间相/Ti-Al-C系MAX相复合涂层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：