一种钛合金用搪瓷涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种钛合金用搪瓷涂层及其制备方法。所述搪瓷涂层的原料是由粉料部分和液料部分按1:0.8的配比组合而成；所述液料部分为无水乙醇；所述粉料部分的原料配比按下列重量份组成：玻璃粉100份、Cr2O320～25份、CeO21.5～2.5份、Y2O31.5～2.5份、黏土3～4份、硼酸铝晶须6～10份。本发明在确保搪瓷涂层所具备良好的耐高温、耐化学腐蚀、抗磨损、装饰性等特性不受影响的前提下，通过在搪瓷涂层的配方中加入合理、配伍的硼酸铝晶须以对钛合金用的搪瓷涂层实现良好的增韧效果，使得应用于钛合金的搪瓷涂层具有良好的抗热震韧性性能和金属基体附着力，同时亦能使搪瓷涂层的耐高温性能得到进一步的可靠提升。

权利要求

1. 一种钛合金用搪瓷涂层，其特征在于，所述搪瓷涂层的原料是由粉料部分和液料部分按1:0.8的配比组合而成；所述液料部分为无水乙醇；所述粉料部分的原料配比按下列重量份组成：玻璃粉        100份、

Cr2O3               20～25份、CeO2                1.5～2.5份、Y2O3                 1.5～2.5份、黏土          3～4份、

硼酸铝晶须    6～10份；

其中，所述玻璃粉的原料配比按下列重量份组成：SiO2                55～65份、Al2O3               3～5份、B2O3                 8～10份、CoO           1.5～2.5份、TiO2                 1.5～2.5份、CaO           1.5～2.5份、ZrO2                 1.5～3.0份、V2O5                  3.5～4.5份、CaF2                 2.5～3.5份、NiO           0.5～1.5份、Na2O           8～10份；

所述玻璃粉的各原料的粒度为100～300目。

2.一种权利要求1所述钛合金用搪瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下列步骤：步骤1. 制备玻璃粉；

步骤2. 按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

步骤3. 将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散10～20min，再加入配方量的黏土，继续超声分散10～20min；

步骤4. 将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散10～20min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料10～20min；

步骤5. 将钛合金零件在450～500℃的温度条件下预氧化30～60min，随炉冷却至室温；

步骤6. 将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗20～30min，并在75～100℃的温度条件下烘烤20～30min；

步骤7. 将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

步骤8. 将涂覆有浆料层的钛合金零件在75～100℃的温度条件下烘烤10～20min；

步骤9. 将电阻炉加热至900～950℃，保温1～1.5h，使炉温均匀；

将钛合金零件置入电阻炉中烧结6～8min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

3.根据权利要求2所述钛合金用搪瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中的玻璃粉制备包括下列步骤：步骤（1）. 将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

步骤（2）. 将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1450～1480℃的温度条件下保温

240～300min，形成熔融料；

步骤（3）. 将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

步骤（4）. 将玻璃渣在130～150℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕。

说明书

一种钛合金用搪瓷涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高温合金材料表面改性用的搪瓷涂层，具体是一种钛合金用的搪瓷涂层，以及该搪瓷涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 钛合金材料具有强度高、刚度好、耐热、抗腐等特性，在航空航天领域得到了广泛应用。当钛合金的应用环境温度超过600℃时，其表面会生成抗氧化性能较差的氧化膜，这将导致钛合金的性能大大降低。然而，近年来，随着航空航天技术的飞速发展，其发动机的推重比逐步提高，对钛合金材料的环境工作温度要求亦越来越高，现有钛合金材料很难满足持续发展中的航空航天的应用技术要求。为了将钛合金应用于更高的环境温度场合，通常需要在钛合金的表面制备抗氧化性能优异的高温防护层。

[0003] 钛合金表面所制备的、常见的高温防护层主要有扩散涂层(例如渗铝涂层，Si、Cr、Pt改性铝化物涂层)、包覆涂层(例如MCrAlY包覆涂层)和热障涂层(例如TBCs涂层)等。这些高温防护层对钛合金的保护可以概括为两种方式：一种是通过表面合金化处理，往钛基体表面渗入一种或多种合金元素来提高钛合金基体的抗高温氧化性能，但这种方式一般是以牺牲钛基体的一种或多种力学性能为代价的；另一种则是通过在钛基体表面制备一层或多层结构的金属层以及陶瓷保护层来改善基体的长期抗氧化性能，其中，搪瓷涂层就是一种既经济又有很好应用前景的陶瓷保护涂层。

[0004] 搪瓷涂层除了具有传统陶瓷涂层所具备的耐高温、耐化学腐蚀、抗磨损以及装饰性能的特性外，其还具有成分可调的特性，以适应不同应用环境、性能要求和基体材质的突出特点。然而，搪瓷涂层本身亦具有高脆性和对裂纹高敏感的特性，也就是说，搪瓷涂层抗热震的韧性性能差，这就成了制约搪瓷涂层推广应用的技术瓶颈。如何提高搪瓷涂层的抗热震韧性性能，已成为行业内的技术研究重点，各种研究成果在公开出版物上屡见报到，但是，迄今未见有与本发明的技术内容相同和相近的技术被披露。

发明内容

[0005] 本发明的技术目的在于：针对上述钛合金材料的现状、搪瓷涂层的特性和技术不足，提供一种既具有良好的耐高温、耐化学腐蚀、抗磨损、装饰性等特性，又具有良好的抗热震韧性性能的钛合金用搪瓷涂层，以及该搪瓷涂层的制备方法。

[0006] 本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种钛合金用搪瓷涂层，所述搪瓷涂层的原料是由粉料部分和液料部分按1:0.8的配比组合而成；所述液料部分为无水乙醇；所述粉料部分的原料配比按下列重量份组成：

[0007]

[0008] 作为优选方案，所述玻璃粉的原料配比按下列重量份组成：

[0009]

[0010] 所述玻璃粉的各原料的粒度为100～300目。

[0011] 一种上述钛合金用搪瓷涂层的制备方法，所述制备方法包括下列步骤：

[0012] 步骤1.制备玻璃粉；

[0013] 步骤2.按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

[0014] 步骤3.将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散10～20min，再加入配方量的黏土，继续超声分散10～20min；

[0015] 步骤4.将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散10～20min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料10～20min；

[0016] 步骤5.将钛合金零件在450～500℃的温度条件下预氧化30～60min，随炉冷却至室温；

[0017] 步骤6.将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗20～30min，并在75～100℃的温度条件下烘烤20～30min；

[0018] 步骤7.将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

[0019] 将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

[0020] 步骤8.将涂覆有浆料层的钛合金零件在75～100℃的温度条件下烘烤10～20min；

[0021] 步骤9.将电阻炉加热至900～950℃，保温1～1.5h，使炉温均匀；

[0022] 将钛合金零件置入电阻炉中烧结6～8min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

[0023] 作为优选方案，步骤1中的玻璃粉制备包括下列步骤：

[0024] 步骤(1).将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

[0025] 步骤(2).将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1450～1480℃的温度条件下保温240～300min，形成熔融料；

[0026] 步骤(3).将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

[0027] 步骤(4).将玻璃渣在130～150℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕。

[0028] 本发明的有益技术效果是：上述技术在确保搪瓷涂层所具备良好的耐高温、耐化学腐蚀、抗磨损、装饰性等特性不受影响的前提下，通过在搪瓷涂层的配方中加入合理、配伍的硼酸铝晶须以对钛合金用的搪瓷涂层实现良好的增韧效果，使得应用于钛合金的搪瓷涂层具有良好的抗热震韧性性能和金属基体附着力，同时亦能使搪瓷涂层的耐高温性能得到进一步的可靠提升；在钛合金材料表面制得的本发明经试验测试，其耐温差急变性高于600℃，耐900℃空气氧化100h的增重小于0.08mg/cm2，850℃条件下耐25％NaCl+75％Na2SO4熔盐腐蚀60h的失重小于0.1mg/cm2，耐机械冲击性大于350×10-3J。

具体实施方式

[0029] 本发明涉及高温合金材料表面改性用的搪瓷涂层，具体是一种钛合金用的搪瓷涂层，以及该搪瓷涂层的制备方法。现以列表的方式通过多个实施例对本发明搪瓷涂层的配方进行详细、具体的说明，本发明的制备方法则以单独的实施例对应列表中搪瓷涂层的配方实施例进行详细、具体的说明。

[0030] 实施例1至8

[0031] 本发明搪瓷涂层的原料是由粉料部分和液料部分按照1:0.8的配比组合而成的，液料部分为无水乙醇，粉料部分的原料配比具体见表1中的实施例1至8所示，即本发明搪瓷涂层的原料是由表1中实施例1至8所示的粉料部分和单独的液料部分按照1:0.8的配比组合而成的。

[0032] 表1本发明搪瓷涂层的粉料部分的原料组分按如下重量份配比计算[0033]

[0034]

[0035] 在上述表1的实施例1至8的粉料部分的原料配比中，玻璃粉的原料配比具体见表2所示。

[0036] 表2表1中的实施例1至8中玻璃粉的原料组分按如下重量份配比计算[0037]

[0038] 表2中，各原料的粒度范围要求为100～300目。

[0039] 实施例9

[0040] 本发明以实施例1的配方量选取原料，按如下步骤进行制备：

[0041] 步骤1.制备玻璃粉，具体包括下列步骤：

[0042] 步骤(1).将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

[0043] 步骤(2).将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1450℃的温度条件下保温240min，形成熔融料；

[0044] 步骤(3).将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

[0045] 步骤(4).将玻璃渣在130℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕；

[0046] 步骤2.按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

[0047] 步骤3.将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散10min，再加入配方量的黏土，继续超声分散10min；

[0048] 步骤4.将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散10min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料10min；

[0049] 步骤5.将钛合金零件在450℃的温度条件下预氧化30min，随炉冷却至室温；

[0050] 步骤6.将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗20min，并在75℃的温度条件下烘烤20min；

[0051] 步骤7.将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

[0052] 将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

[0053] 步骤8.将涂覆有浆料层的钛合金零件在75℃的温度条件下烘烤20min；

[0054] 步骤9.将电阻炉加热至900℃，保温1h，使炉温均匀；

[0055] 将钛合金零件置入电阻炉中烧结6min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

[0056] 依据本实施例在钛合金表面制得的搪瓷涂层的理化性能如表3所示，在表3中，900℃空气氧化100h的增重用w1表示，850℃耐25％NaCl+75％Na2SO4熔盐腐蚀60h的失重用w2表示，耐温差急变性用△T表示，耐机械冲击性用Ak表示。

[0057] 表3本实施例在钛合金表面所制备搪瓷涂层的理化性能参数

[0058]

[0059] 实施例10

[0060] 本发明以实施例3的配方量选取原料，按如下步骤进行制备：

[0061] 步骤1.制备玻璃粉，具体包括下列步骤：

[0062] 步骤(1).将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

[0063] 步骤(2).将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1460℃的温度条件下保温280min，形成熔融料；

[0064] 步骤(3).将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

[0065] 步骤(4).将玻璃渣在140℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕；

[0066] 步骤2.按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

[0067] 步骤3.将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散15min，再加入配方量的黏土，继续超声分散15min；

[0068] 步骤4.将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散15min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料15min；

[0069] 步骤5.将钛合金零件在460℃的温度条件下预氧化40min，随炉冷却至室温；

[0070] 步骤6.将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗20min，并在75℃的温度条件下烘烤20min；

[0071] 步骤7.将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

[0072] 将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

[0073] 步骤8.将涂覆有浆料层的钛合金零件在80℃的温度条件下烘烤10min；

[0074] 步骤9.将电阻炉加热至920℃，保温1h，使炉温均匀；

[0075] 将钛合金零件置入电阻炉中烧结7min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

[0076] 依据本实施例在钛合金表面制得的搪瓷涂层的理化性能如表4所示，在表4中，900℃空气氧化100h的增重用w1表示，850℃耐25％NaCl+75％Na2SO4熔盐腐蚀60h的失重用w2表示，耐温差急变性用△T表示，耐机械冲击性用Ak表示。

[0077] 表4本实施例在钛合金表面所制备搪瓷涂层的理化性能参数

[0078]

[0079] 实施例11

[0080] 本发明以实施例6的配方量选取原料，按如下步骤进行制备：

[0081] 步骤1.制备玻璃粉，具体包括下列步骤：

[0082] 步骤(1).将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

[0083] 步骤(2).将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1470℃的温度条件下保温270min，形成熔融料；

[0084] 步骤(3).将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

[0085] 步骤(4).将玻璃渣在150℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕；

[0086] 步骤2.按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

[0087] 步骤3.将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散20min，再加入配方量的黏土，继续超声分散20min；

[0088] 步骤4.将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散20min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料20min；

[0089] 步骤5.将钛合金零件在500℃的温度条件下预氧化60min，随炉冷却至室温；

[0090] 步骤6.将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗30min，并在100℃的温度条件下烘烤30min；

[0091] 步骤7.将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

[0092] 将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

[0093] 步骤8.将涂覆有浆料层的钛合金零件在100℃的温度条件下烘烤20min；

[0094] 步骤9.将电阻炉加热至950℃，保温1.5h，使炉温均匀；

[0095] 将钛合金零件置入电阻炉中烧结8min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

[0096] 依据本实施例在钛合金表面制得的搪瓷涂层的理化性能如表5所示，在表5中，900℃空气氧化100h的增重用w1表示，850℃耐25％NaCl+75％Na2SO4熔盐腐蚀60h的失重用w2表示，耐温差急变性用△T表示，耐机械冲击性用Ak表示。

[0097] 表5本实施例在钛合金表面所制备搪瓷涂层的理化性能参数

[0098]

[0099] 实施例12

[0100] 本发明以实施例8的配方量选取原料，按如下步骤进行制备：

[0101] 步骤1.制备玻璃粉，具体包括下列步骤：

[0102] 步骤(1).将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

[0103] 步骤(2).将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1480℃的温度条件下保温300min，形成熔融料；

[0104] 步骤(3).将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

[0105] 步骤(4).将玻璃渣在150℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕；

[0106] 步骤2.按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

[0107] 步骤3.将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散20min，再加入配方量的黏土，继续超声分散20min；

[0108] 步骤4.将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散20min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料20min；

[0109] 步骤5.将钛合金零件在480℃的温度条件下预氧化45min，随炉冷却至室温；

[0110] 步骤6.将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗30min，并在90℃的温度条件下烘烤25min；

[0111] 步骤7.将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

[0112] 将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

[0113] 步骤8.将涂覆有浆料层的钛合金零件在100℃的温度条件下烘烤20min；

[0114] 步骤9.将电阻炉加热至940℃，保温1h，使炉温均匀；

[0115] 将钛合金零件置入电阻炉中烧结8min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

[0116] 依据本实施例在钛合金表面制得的搪瓷涂层的理化性能如表6所示，在表6中，900℃空气氧化100h的增重用w1表示，850℃耐25％NaCl+75％Na2SO4熔盐腐蚀60h的失重用w2表示，耐温差急变性用△T表示，耐机械冲击性用Ak表示。

[0117] 表6本实施例在钛合金表面所制备搪瓷涂层的理化性能参数

[0118]

[0119] 实施例13

[0120] 本发明以实施例4的配方量选取原料，按如下步骤进行制备：

[0121] 步骤1.制备玻璃粉，具体包括下列步骤：

[0122] 步骤(1).将玻璃粉的组成原料先用球磨机球磨并混合均匀，形成混合料；

[0123] 步骤(2).将混合料置于坩埚内后放入熔块炉内，在1460℃的温度条件下保温260min，形成熔融料；

[0124] 步骤(3).将熔融料淬入水中获得玻璃渣；

[0125] 步骤(4).将玻璃渣在140℃的温度条件下烘干，进行球磨，每球磨40min过200目筛子一次，直至玻璃渣全部球磨完毕；

[0126] 步骤2.按配方量将玻璃粉、Cr2O3、CeO2和Y2O3用研磨钵研磨，使其混合均匀，备用；

[0127] 步骤3.将配方量的硼酸铝晶须放入无水乙醇中，超声分散10min，再加入配方量的黏土，继续超声分散10min；

[0128] 步骤4.将步骤2所得粉料置入步骤3的分散溶液中，用玻璃棒搅拌后继续超声分散10min获得玻璃浆料；接着磁力搅拌玻璃浆料10min；

[0129] 步骤5.将钛合金零件在480℃的温度条件下预氧化60min，随炉冷却至室温；

[0130] 步骤6.将氧化后的钛合金零件用丙酮进行超声波清洗25min，并在80℃的温度条件下烘烤30min；

[0131] 步骤7.将烘烤后的钛合金零件从烘箱中取出，将钛合金零件完全浸入盛有玻璃浆料的烧杯中，来回转动钛合金零件；

[0132] 将钛合金零件从玻璃浆料中移出，转动流平，使钛合金零件的表面形成一层厚度均匀的浆料层；

[0133] 步骤8.将涂覆有浆料层的钛合金零件在80℃的温度条件下烘烤15min；

[0134] 步骤9.将电阻炉加热至930℃，保温1h，使炉温均匀；

[0135] 将钛合金零件置入电阻炉中烧结7min，取出，空冷即可获得钛合金零件上的搪瓷涂层。

[0136] 依据本实施例在钛合金表面制得的搪瓷涂层的理化性能如表7所示，在表7中，900℃空气氧化100h的增重用w1表示，850℃耐25％NaCl+75％Na2SO4熔盐腐蚀60h的失重用w2表示，耐温差急变性用△T表示，耐机械冲击性用Ak表示。

[0137] 表7本实施例在钛合金表面所制备搪瓷涂层的理化性能参数

[0138]

[0139] 以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。