一種γ-TiAl合金表面滲鍍LaTaAlY合金層的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種γ-TiAl合金表面滲鍍LaTaAlY合金層的方法，利用雙空心陰極輝光放電加熱γ-TiAl合金工件和LaTaAlY靶材，LaTaAlY靶材置于源極架上，在輝光放電所產(chǎn)生的等離子體轟擊下，加熱致其熔化，形成蒸發(fā)與濺射，在工件表面沉積并向內(nèi)擴(kuò)散，通過(guò)工作氣壓、源極電壓、工件電壓以及源極-工件間距的調(diào)節(jié)與控制，在工件表面形成3～10μm的LaTaAlY沉積層和5～10μm的LaTaAlY擴(kuò)散層。采用本發(fā)明的方法對(duì)γ-TiAl合金工件表面進(jìn)行滲鍍處理，可賦予其在高溫長(zhǎng)期服役條件下具有優(yōu)良的抗氧化性能，而梯度成分的擴(kuò)散層的存在使其具有可靠的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)良的抗熱震性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種Y-TiAI合金表面滲鍛LaTaA IY合金層的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面防護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種Y-TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Y -TiAl合金具有高的高溫屈服強(qiáng)度、高的蠕變抗力和斷裂韌性，以及低的缺口敏感性，與傳統(tǒng)的鎳基高溫合金相比，其比強(qiáng)度更高，是航空、航天飛行器理想的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。然而在超過(guò)750°C的高溫下，T1-Al金屬間化合物的抗氧化性能急劇下降。同時(shí)，由于高溫下N、0原子滲入，合金易產(chǎn)生次表層脆化現(xiàn)象。因此，目前Y-TiAl合金的有效使用溫度不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作要求。
[0003]在正常氧化條件下，Y-TiAl合金的氧化膜主要組成相是T12和八1203。在所有氧化膜中，Al2O3是最具保護(hù)性的氧化物之一，化學(xué)穩(wěn)定性高，而且氧離子在其中擴(kuò)散系數(shù)很低。T12具有疏松的結(jié)構(gòu)和較大的氧滲透率，在高溫下難以賦予合金充分的抗氧化保護(hù)作用。T1-Al金屬間化合物中盡管含有大量的鋁，但從熱力學(xué)條件看，Al2O3和T12的生成自由能十分接近，而且鋁的活度與其成分存在嚴(yán)重的負(fù)偏差，即使是含Al量最高的Y-TiAl合金，也很難通過(guò)鋁的選擇性氧化形成具有保護(hù)性的連續(xù)Al2O3氧化膜。
[0004]在保持Y-TiAl合金整體力學(xué)性能的前提下提高其抗高溫氧化性能，最有效的方法便是在合金表面制備抗氧化性?xún)?yōu)良的保護(hù)涂層。然而，傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層易剝落，合金涂層在高溫下長(zhǎng)期服役時(shí)因互擴(kuò)散而導(dǎo)致抗氧化性能快速下降，傳統(tǒng)化學(xué)熱處理易導(dǎo)致氫脆。為了盡快滿(mǎn)足航空航天等領(lǐng)域?qū)p比重、高性能的高溫結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，Y-TiAl合金的高溫抗氧化性能的提高與解決已成為關(guān)鍵的工程問(wèn)題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種Y -TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，以提高其表面抗高溫氧化性能。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種Y -TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一、將LaTaAlY靶材置于源極架上，作為源極；Y -TiAl合金工件置于源極架下方10?50mm ;抽真空至KT1Pa以下，后充入IS氣至10?80Pa ;施加工件電壓-300?-500V，保持時(shí)間10?40min ；
[0009]步驟二、施加源極電壓-300?-800V，使LaTaAH靶材微熔并保持放電濺射狀態(tài)；隨后施加工件電壓-500?-1200V，使工件溫度達(dá)到700?1200°C，之后調(diào)整為-800?-950V，保持0.5?8h ;之后降溫、出爐，得到表面滲鍍LaTaAH合金層的Y-TiAl合金工件。
[0010]步驟一所述源極架的材質(zhì)為高溫合金鋼。
[0011 ] 步驟一所述LaTaAlY靶材的原子比La: Ta: Al: Y為30?60:10?30:15?40:1?10
[0012]步驟二所述LaTaAH合金層由沉積層和擴(kuò)散層組成，所述沉積層為外層，厚度為3?1ym;所述擴(kuò)散層為內(nèi)層，與Y-TiAl合金工件表面結(jié)合，厚度為5?10 μ m。
[0013]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明在Y-TiAl合金表面制備的防護(hù)層與一般的硬質(zhì)與合金涂層不同，由沉積層和擴(kuò)散層組成。外層的沉積層可賦予Y-TiAl合金充分的抗氧化能力；其下的擴(kuò)散層與基體合金結(jié)合，可在高溫下長(zhǎng)時(shí)間有效延緩沉積層中La、Ta、Al、Y原子向基體擴(kuò)散，確保沉積層抗氧化特性的有效性和持久性。并且擴(kuò)散層中La、Ta、Al、Y元素的成分與組織結(jié)構(gòu)沿深度而呈梯度變化，不僅使抗氧化沉積層具有牢固的結(jié)合力，抗熱震性強(qiáng)；也由于擴(kuò)散層具有顯著強(qiáng)化效果，使其具有更高的承載能力。通過(guò)本發(fā)明方法在Y-TiAl合金制備的沉積層和擴(kuò)散層可賦予其長(zhǎng)期優(yōu)良的抗高溫氧化性能，同時(shí)基體材料的性能得以完整保留。由于研究對(duì)象的典型性，其研究成果將能推廣到其它領(lǐng)域，其工程價(jià)值也非常突出。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為等離子滲鍍LaTaAH原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步地解釋。
[0016]一種Y -TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，包括如下步驟:
[0017]步驟一、如圖1所不，在一個(gè)真空室中，設(shè)置兩個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極，其中一個(gè)陰極為 LaTaAH 靶材 1(原子比 La:Ta:Al:Y 為 30 ?60:10 ?30:15 ?40:1 ?10) JfLaTaAlY靶材I置于源極架(材質(zhì)為高溫合金鋼)上，又稱(chēng)為源極；另一個(gè)陰極為Y-TiAl合金工件2，將Y-TiAl合金工件2置于源極架下方10?50mm;陽(yáng)極為接地極，即爐體3。在陽(yáng)極與兩個(gè)陰極之間分別接一個(gè)由控制柜4控制的可控直流電源5。關(guān)閉進(jìn)氣孔8，打開(kāi)真空泵9，將真空室抽真空至KT1Pa以下，后充入氬氣至10?80Pa。施加工件電壓_300?-500V，保持時(shí)間10?40min，一方面對(duì)工件進(jìn)行進(jìn)一步清洗，另一方面活化工件表面以利于活性原子的吸附。
[0018]步驟二、先后接通源極直流電源和工件極直流電源，使陽(yáng)極與源極之間、陽(yáng)極與Y-TiAl合金工件2之間分別產(chǎn)生兩組輝光放電，所施加在二者的電位可相同或不相同。源極電壓為-300?-800V，使LaTaAH靶材I微熔并保持放電濺射狀態(tài)；工件電壓為-500?-1200V，使工件溫度達(dá)到700?1200°C (溫度由測(cè)溫儀10測(cè)定)，之后調(diào)整為-800?-950V,保持0.5?8h。在輝光放電所產(chǎn)生的IS離子6轟擊作用下,源極被加熱熔化并產(chǎn)生蒸發(fā)，同時(shí)，氬離子6的轟擊還濺射出大量的La、Ta、Al、Y原子7和原子團(tuán)。濺射、蒸發(fā)出來(lái)的La、Ta、Al、Y原子7高速飛向工件表面，被工件表面所吸附而沉積。施加于工件的電場(chǎng)也產(chǎn)生輝光放電，使工件被加熱，達(dá)到合適的溫度后將使沉積于其表面的La、Ta、Al、Y原子7向內(nèi)擴(kuò)散，使工件表面形成所設(shè)計(jì)的合金層。通過(guò)調(diào)整工作氣壓、源極電壓、工件電壓以及源極-工件間距等參數(shù)可準(zhǔn)確控制溫度，可在一定保溫時(shí)間下實(shí)現(xiàn)合金層中的合金元素含量及滲層厚度的控制。之后降溫、出爐，得到表面滲鍍LaTaAH合金層的Y-TiAl合金工件。
[0019]采用本發(fā)明的方法對(duì)Y-TiAl合金工件表面進(jìn)行滲鍍處理，工件表面形成3?
10μ m的LaTaAH沉積層和5?10 μ m的LaTaAH擴(kuò)散層，可賦予其在高溫長(zhǎng)期服役條件下具有優(yōu)良的抗氧化性能，而梯度成分的擴(kuò)散層的存在使其具有可靠的結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)良的抗熱震性能。
[0020]以下實(shí)施例涉及的LaTaAH靶材由南昌國(guó)材科技有限公司提供，靶材原子比為L(zhǎng)a:Ta:Al:Y = 50:20:25: 5，靶材直徑100mm，厚度4mm。Y-TiAl合金工件在滲鍍前先進(jìn)行表面清洗，并干燥，必要時(shí)可先拋光再清洗。
[0021]實(shí)施例1
[0022]裝爐:將LaTaAlY靶材置于源極架上，Y -TiAl合金工件置于源極架下方25mm處。
[0023]抽真空:關(guān)閉進(jìn)氣孔，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)氣壓抽到KT1Pa以下，然后通入氬氣至30Pao
[0024]工件表面活化:打開(kāi)冷卻水，將工件電源打開(kāi)，施加-400V電壓，利用輝光放電所產(chǎn)生的等離子束對(duì)工件進(jìn)行30min左右轟擊，一方面對(duì)工件進(jìn)行進(jìn)一步清洗，另一方面活化工件表面以便于活性原子的吸附。
[0025]滲鍍:施加源極電源-600V，至LaTaAH靶材微熔再調(diào)整電壓至-350V?-400V保持。隨后將工件電壓加到-1100V，使工件的溫度達(dá)到950°C，然后調(diào)整至-800?-950V以保持溫度。
[0026]降溫:保溫3h后，切斷源極電源，將工件電壓調(diào)低至-250V左右，使工件極處于微弱輝光放電，逐步降溫。
[0027]出爐:工件溫度降至200°C以下，切斷工件極電源，關(guān)閉氬氣閥，切斷真空泵電源和冷卻水。打開(kāi)放氣閥充入大氣，工作室壓力恢復(fù)到大氣壓后打開(kāi)爐罩并取出工件。
[0028]Y-TiAl合金經(jīng)上述等離子滲鍍LaTaAH處理后，表面形成了 5μπι厚的致密LaTaAlY沉積層和5 μ m的擴(kuò)散層，在800°C下的大氣環(huán)境中具有優(yōu)良的抗氧化性能。
[0029]實(shí)施例2
[0030]裝爐:將LaTaAH靶材置于源極架上，Y -TiAl合金工件置于源極架下方25mm處。
[0031]抽真空:關(guān)閉進(jìn)氣孔，打開(kāi)真空泵，將爐內(nèi)氣壓抽到KT1Pa以下，然后通入氬氣至30Pao
[0032]工件表面活化:打開(kāi)冷卻水，將工件電源打開(kāi)，施加-400V電壓，利用輝光放電所產(chǎn)生的等離子束對(duì)工件進(jìn)行30min左右轟擊，一方面對(duì)工件進(jìn)行進(jìn)一步清洗，另一方面活化工件表面以便于活性原子的吸附。
[0033]滲鍍:施加源極電壓-600V，至LaTaAH靶材微熔再調(diào)整電壓至_350?-400V保持。隨后將工件電壓加到-1000V，使工件的溫度達(dá)到900°C，然后調(diào)整至-800?-900V以保持溫度。
[0034]降溫:保溫4h后，切斷源極電源，將工件電壓調(diào)低至-250V左右，使工件極處于微弱輝光放電，逐步降溫。
[0035]出爐:工件溫度降至200°C以下，切斷工件極電源，關(guān)閉氬氣閥，切斷真空泵電源和冷卻水。打開(kāi)放氣閥充入大氣，工作室壓力恢復(fù)到大氣壓后打開(kāi)爐罩并取出工件。
[0036]Y-TiAl合金經(jīng)上述等離子滲鍍LaTaAH處理后，表面形成了 6μπι厚的致密LaTaAlY沉積層和10 μ m的擴(kuò)散層，在900°C下的大氣環(huán)境中具有優(yōu)良的抗氧化性能。
【權(quán)利要求】
1.一種Y-TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、將LaTaAH靶材置于源極架上，作為源極；Y -TiAl合金工件置于源極架下方10?50_ ;抽真空至KT1Pa以下，后充入氬氣至10?80Pa ;施加工件電壓-300?-500V，保持時(shí)間10?40min ； 步驟二、施加源極電壓-300?-800V，使LaTaAH靶材微熔并保持放電濺射狀態(tài)；隨后施加工件電壓-500?-1200V，使工件溫度達(dá)到700?1200°C，之后調(diào)整為-800?-950V，保持0.5?8h ;之后降溫、出爐，得到表面滲鍍LaTaAH合金層的Y -TiAl合金工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，其特征在于，步驟一所述源極架的材質(zhì)為高溫合金鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，其特征在于，步驟一所述LaTaAH靶材的原子比La:Ta:Al:Y為30?60:10?30:15?40:1?10。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Y-TiAl合金表面滲鍍LaTaAH合金層的方法，其特征在于，步驟二所述LaTaAH合金層由沉積層和擴(kuò)散層組成，所述沉積層為外層，厚度為3?10 μ m ;所述擴(kuò)散層為內(nèi)層，與Y-TiAl合金工件表面結(jié)合，厚度為5?10 μ m。
【文檔編號(hào)】C23C14/34GK104388900SQ201410589294
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】梁文萍, 徐一, 繆強(qiáng), 張志剛, 蔣穹, 任蓓蕾, 崔世宇, 夏金嬌 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)