本發(fā)明涉及汽車與飛機(jī)零件表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種γ-tial合金表面耐高溫防護(hù)涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
γ-tial合金作為一種耐高溫的合金材料，具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，比鎳基超級(jí)合金輕，使其成為渦輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等耐熱結(jié)構(gòu)件極具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。然而，在以往的研究中，發(fā)現(xiàn)這種合金材料在溫度達(dá)到1073k的時(shí)候，表面氧化形成的氧化層迅速剝落，其抗氧化性能急速下降，嚴(yán)重制約了該材料在高溫領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
從合金的結(jié)構(gòu)上來看，γ-tial合金中盡管含有大量的al2o3，但al2o3與ti2o3的生成自由能十分接近，并且al的活度與其成分存在嚴(yán)重的負(fù)偏差，這就導(dǎo)致了在高溫時(shí)，很難通過形成致密的al2o3氧化膜來保護(hù)構(gòu)件。而ti2o3氧化膜具有較為稀疏的表面結(jié)構(gòu)，不能有效的阻止o原子的擴(kuò)散，這也就導(dǎo)致γ-tial合金在高溫下抗氧化性能的急劇降低。同時(shí)由于高溫下，大量的n、o原子的滲入，合金容易發(fā)生表層脆化現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了合金的熱穩(wěn)定性、蠕變抗力、持久強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能大大降低，因此，γ-tial合金只能在800℃以下應(yīng)用，不能滿足高溫場(chǎng)景的使用要求。
使合金的高溫抗氧化溫度提高到1000℃以上，同時(shí)不破壞合金整體力學(xué)性能，最有效快捷的措施就是在合金表面制備一層耐高溫的保護(hù)涂層。如：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所通過冷噴涂al-20si合金涂層及后續(xù)熱擴(kuò)散處理在γ-tial合金表面制備ti(al,si)3擴(kuò)散涂層，隨后在1173k下，對(duì)涂層進(jìn)行連續(xù)1000h等溫氧化和120次循環(huán)氧化來測(cè)試其抗氧化性能。通過技術(shù)手段分析發(fā)現(xiàn)：該擴(kuò)散涂層具有良好的抗氧化能力，其氧化增重只有基體合金的四分之一。但該方法只能將合金的抗氧化溫度提升至900℃，無法滿足更高溫度的要求。（王吉強(qiáng),孔令艷,李鐵藩,等.冷噴涂制備γ-tial表面ti(al,si)3擴(kuò)散涂層的高溫氧化行為[j].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)(英文版),2016,26(4):1155-1162.）。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提出一種γ-tial合金表面alymosi高溫防護(hù)涂層及其制備方法，所述的alymosi合金層結(jié)構(gòu)致密，與基體γ-tial合金結(jié)合強(qiáng)度高，提高了γ-tial合金的抗高溫氧化性能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是：
一種表面高溫防護(hù)涂層，所述的涂層為alymosi合金層，按質(zhì)量百分比計(jì)，由al45~50wt%、y2~5wt%、mo15~20wt%、si25~30wt%組成。
進(jìn)一步的，alymosi厚度為10~50μm。
一種γ-tial合金表面高溫防護(hù)涂層的制備方法，包括如下步驟：
（1）將al、y、mo、si粉按（45~50wt%）:（2~5wt%）:（15~20wt%）:（25~30wt%）配料，充分混合后與γ-tial合金一同進(jìn)行球磨；
（2）球磨結(jié)束后，將alymosi合金粉末和氯化銨按質(zhì)量比alymosi:nh4cl=97:3充分混合后，將所述混合粉末裝入置于剛玉坩堝中，并將球磨后的γ-tial合金置于混合粉末的中部，使其埋沒于混合粉末中，密封坩堝，于惰性氣氛下，高溫處理，隨爐冷卻。
進(jìn)一步的，步驟（1）中，球磨機(jī)運(yùn)行參數(shù)如下：工作速度為20~50hz；切換時(shí)間為10~20min；總運(yùn)行時(shí)間為4~10h；運(yùn)行方向?yàn)殡p向運(yùn)行。
進(jìn)一步的，步驟（2）中，高溫處理采用真空管式爐中，管式爐運(yùn)行參數(shù)如下：起始溫度為室溫；升溫速率為20℃/min~45℃/min；目標(biāo)溫度為800℃~900℃；保溫時(shí)間為120~240min。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
1）球磨過程中產(chǎn)生的缺陷能提供較多的活性中心，在不斷球磨過程中金屬產(chǎn)生大量的變形，長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)變成了短程有序或無序的非晶結(jié)構(gòu)使得粉末容易進(jìn)入。
2）球磨對(duì)粉體的碎裂及活化作用，使得金屬顆粒發(fā)生畸變的同時(shí)，大量的新鮮原子表面不斷暴露在粉末氛圍中，增加了基體與粉末的反應(yīng)結(jié)合幾率。
3）球磨高速運(yùn)轉(zhuǎn)所提供的機(jī)械能及磨球碰撞過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)升溫為材料提供能量，使得粉末與基體很容易發(fā)生交互作用。
4）包埋技術(shù)在高溫下給粉末提供能量，擴(kuò)散進(jìn)入試樣表層，形成膜基結(jié)合強(qiáng)度高、al2o3納米線織構(gòu)的alymosi高溫防護(hù)涂層。
5）alymosi涂層中al、y和si元素能夠?yàn)楦邷胤雷o(hù)涂層提高一定的自修復(fù)性能，從而達(dá)到延長(zhǎng)涂層使用壽命的目的。
6）球磨技術(shù)與包埋法巧妙結(jié)合通過對(duì)球磨機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，運(yùn)行時(shí)間，真空實(shí)驗(yàn)爐的加熱溫度等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制，在基體γ-tial合金表面形成alymosi高溫防護(hù)涂層。該方法效率高、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保，且制備的高溫防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)良。
附圖說明
圖1為γ-tial合金表面alymosi耐高溫涂層表面sem形貌圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明所述的γ-tial合金表面alymosi高溫防護(hù)涂層的制備方法如下：
（1）將不銹鋼小球連同γ-tial合金裝入容積為250ml的不銹鋼球磨罐中，然后將al，y，mo，si按如下配比配料：（45~50wt%）:（2~5wt%）:（15~20wt%）:（25~30wt%）充分混合后放入上述球磨罐中，設(shè)置好參數(shù)后利用球磨機(jī)進(jìn)行球磨。（2）球磨工藝結(jié)束后，取出經(jīng)球磨機(jī)械合金化的alymosi合金粉末和表面附著alymosi合金粉末的γ-tial合金，將alymosi合金粉末和氯化銨按質(zhì)量比alymosi:nh4cl=97:3充分混合后，取50g的混合粉末裝入帶有蓋子的剛玉坩堝中，并將表面附著alymosi合金粉末的γ-tial合金放入坩堝中混合粉末的中部，使其埋沒于混合粉末中。（3）采用磷酸二氫鋁對(duì)坩堝進(jìn)行密封，并留針孔以防爆裂，然后將密封好的坩堝放入真空管式爐內(nèi)抽真空后通入氬氣保護(hù)后，在800℃~900℃下保溫120~240min后，隨爐冷至室溫后取出試樣，即采用包埋法對(duì)機(jī)械表面合金化后的γ-tial合金表面再進(jìn)行alymosi合金層滲鍍處理。
實(shí)施例一：
1）將直徑為10mm的不銹鋼球裝入容積為250ml的不銹鋼球磨罐中，然后將al，y，mo，si粉按24:1:10:15的比例制備50g混合后與基體γ-tial合金一起倒入球磨罐中，最后將球磨罐固定在球磨機(jī)中。
2）打開電源，調(diào)試工藝參數(shù)至：
工作速度：25hz；
切換時(shí)間：10min；
總運(yùn)行時(shí)間：6h；
運(yùn)行方向：?jiǎn)蜗蜻\(yùn)行；
定時(shí)控制：定時(shí)運(yùn)行
3）待球磨結(jié)束后取出γ-tial合金試樣和alymosi粉末，將取出的γ-tial合金試樣用alymosi粉末四周緊密覆蓋于帶有蓋子的剛玉坩堝中，密封坩堝蓋后，將坩堝放入真空管式爐中，開始抽真空至1×10-5pa后送入氬氣，隨后調(diào)試工藝參數(shù)為：
起始溫度：室溫；
升溫時(shí)間：20min；
目標(biāo)溫度：820℃；
保溫時(shí)間：120min；
4）關(guān)閉電源，空置設(shè)備3h，使試樣自然冷卻；
5）破真空，取樣。
所制得alymosi涂層表面形貌如圖1，制得的涂層均勻致密，無裂紋、孔洞等缺陷，其總厚度達(dá)到50μm。在1200°c下高溫氧化實(shí)驗(yàn)200h后，涂層依然保持完好、致密，未出現(xiàn)剝落、開裂等現(xiàn)象，其氧化增重值為5.7mg/cm2，較基體γ-tial合金的氧化增重值142.3mg/cm2有了明顯的下降。
實(shí)施例二：
1）將直徑為10mm的不銹鋼球裝入容積為250ml的不銹鋼球磨罐中，然后將al，y，mo，si粉按24:1:10:15的比例制備50g混合后與基體γ-tial合金一起倒入球磨罐中，最后將球磨罐固定在球磨機(jī)中。
2）打開電源，調(diào)試工藝參數(shù)至：
工作速度：35hz；
切換時(shí)間：20min；
總運(yùn)行時(shí)間：8h；
運(yùn)行方向：?jiǎn)蜗蜻\(yùn)行；
定時(shí)控制：定時(shí)運(yùn)行
3）待球磨結(jié)束后取出γ-tial合金試樣和alymosi粉末，將取出的γ-tial合金試樣用alymosi粉末四周緊密覆蓋于帶有蓋子的剛玉坩堝中，密封坩堝蓋后，將坩堝放入真空管式爐中，開始抽真空至2×10-5pa后送入氬氣，隨后調(diào)試工藝參數(shù)為：
起始溫度：室溫；
升溫時(shí)間：40min；
目標(biāo)溫度：960℃；
保溫時(shí)間：240min；
4）關(guān)閉電源，空置設(shè)備5h，使試樣自然冷卻；
5）破真空，取樣。
所制得alymosi涂層均勻致密，無裂紋、孔洞等缺陷，其總厚度達(dá)到40μm。在900°c高溫氧化實(shí)驗(yàn)100h后，涂層依然保持完好、致密，未出現(xiàn)剝落、開裂等現(xiàn)象，其氧化增重值為2.4mg/cm2，較基體γ-tial合金的氧化增重值67.7mg/cm2有了明顯的下降。
本發(fā)明所述的防護(hù)涂層采用球磨技術(shù)使得混合粉末因磨球的碰撞，擠壓而重復(fù)地發(fā)生變形，斷裂，焊合，原子間相互擴(kuò)散或進(jìn)行固態(tài)反應(yīng)而形成合金粉末。粉末被摩擦使得新鮮的未反應(yīng)的表面不斷暴露出來再加上粉末細(xì)化，大大增加了反應(yīng)接觸面積，縮短了擴(kuò)散距離極大地減少擴(kuò)散速率對(duì)反應(yīng)動(dòng)能的限制，從而提高了固態(tài)反應(yīng)速率，包埋技術(shù)受熱均勻，成膜效果較好。