一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层及其制备方法转让专利
申请号 : CN202111280530.2
文献号 : CN114015992B
文献日 : 2022-05-20
发明人 : 徐照英 , 霍永清 , 肖艳红
申请人 : 重庆嘉陵特种装备有限公司 , 重庆文理学院
摘要 :
权利要求 :
1.一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层,其特征在于:由钛合金工件(10)表面向外依次为中间过渡层(20)、高温抗氧化复合涂层(30)以及玻璃涂层(40);所述中间过渡层(20)为NiCrAl涂层,所述高温抗氧化复合涂层(30)为MoSi2‑CoNiCrAl涂层,所述玻璃涂层(40)由玻璃配料组成、所述玻璃配料包括Al2O3、B2O3、CaO、MgO、SiO2、Na2O以及TiO2。
2.根据权利要求1所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层,其特征在于:所述中间过渡层(20)的厚度为0.3~0.6μm;所述高温抗氧化复合涂层(30)的厚度为7~9μm;
所述玻璃涂层(40)的厚度为1~2μm。
3.根据权利要求1所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:
包括以下步骤:
S001、工件前处理:首先对钛合金工件(10)进行适当的机械加工,使其符合标准工具或模具形状;然后对机械加工后的钛合金工件(10)进行打磨、除油、清洗、浸蚀的预处理操作;
S002、中间过渡层(20)的制备:采用磁控溅射法,将经过前处理后的钛合金工件(10)放入真空室内、并在真空室内通入氩气;以高纯、即纯度为99.99%的金属镍靶作为中频磁控溅射装置的阴极,以高纯、即纯度为99.99%的铝靶与高纯、即纯度为99.99%的铬靶作为直流磁控溅射装置的阴极,在经过前处理后的钛合金工件(10)表面沉积NiCrAl中间过渡层(20);
S003、高温抗氧化复合涂层(30)的制备:首先将合金粉末CoNiCrAl与MoSi2粉末按质量比1:0.8~1.2的配料进行预混合,混合后的粉末加入等离子喷涂设备中,采用等离子喷涂设备在中间过渡层(20)表面制备MoSi2‑CoNiCrAl涂层;
S004、玻璃涂层(40)制备:首先将玻璃配料制备得到玻璃粉末料浆,然后将玻璃粉末料浆浸涂或涂覆在高温抗氧化复合涂层(30)的表面并烘干,得到抗高温氧化隔热涂层。
4.根据权利要求3所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤S001中预处理操作具体为:首先依次采用400#、800#、1000#、1200#的金相砂纸对钛合金工件(10)进行打磨,直至钛合金工件(10)表面被打磨成镜面;然后先用去离子水对打磨后的钛合金工件(10)进行冲洗、再采用化学除油剂进行除油;除油后先使用大量热水进行清洗、再采用去离子水冲洗干净;冲洗后使用体积比为1:1的稀盐酸进行浸蚀,浸蚀时间为40~50s。
5.根据权利要求3或4任一项所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤S002中的磁控溅射的具体参数为:氩气流量为50~70sccm;
沉积气压为0.5~0.6Pa,控制电源功率为650~750V,负偏压为450~550V,处理时间为15~
20min。
6.根据权利要求3或4任一项所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤S003中等离子喷涂的具体参数为:功率为30~40kW,偏压为
25~35V;喷涂距离为60~80mm,粉末送给率为4~6g/min,氩气流量为40~50L/min,氢气流量为6~8L/min。
7.根据权利要求5所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤S003中等离子喷涂的具体参数为:功率为30~40kW,偏压为25~35V;喷涂距离为60~80mm,粉末送给率为4~6g/min,氩气流量为40~50L/min,氢气流量为6~8L/min。
8.根据权利要求3所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤S004中的玻璃配料配方为:Al2O3、B2O3、CaO、MgO、SiO2、Na2O、TiO2的重量份分别为34~54、1.7~3.7、7.5~9.5、4.8~8.8、15~35、5~17、0~5。
9.根据权利要求3所述的一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤S004中玻璃配料制备得到玻璃粉末料浆的具体步骤为:首先将玻璃配料按重量份进行球磨且均匀混合、球磨过程中以无水乙醇作为助磨剂;然后将混合均匀后的粉末放入马弗炉内,分段加热熔化形成玻璃熔体;再将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须,使用行星球磨机对玻璃颗粒或玻璃晶须进行行星式球磨,得到玻璃粉;最后将玻璃粉、粘结剂以及溶剂均匀混合,得到玻璃粉末料浆。
说明书 :
一种适用于钛合金表面抗高温氧化隔热涂层及其制备方法
技术领域
背景技术
内燃机的零部件等。
够保持稳定。然而,在高温环境下,钛合金表面的氧化膜呈现疏松多孔结构,其无法有效阻
止高温环境下空气中的氧的扩散侵入,从而造成钛合金在高温热环境下表变出现严重氧化
现象,导致钛合金脆性升高,进而大大降低钛合金本身的塑性和韧性等力学性能;同时,在
高温环境下,钛合金遭受剧烈摩擦会导致其耐磨性在高温高压条件下急剧降低、产生快速
氧化并发生氧化剥落,从而导致钛合金的硬度降低、耐磨性差、摩擦系数高且不稳定,严重
者甚至出现起火燃烧,并且会迅速蔓延、从而影响材料整体的服役性能。
发明内容
差、硬度差、耐磨性差等缺陷。
所述高温抗氧化复合涂层为MoSi2‑CoNiCrAl涂层,所述玻璃涂层由玻璃配料组成、所述玻
璃配料包括Al2O3、B2O3、CaO、MgO、SiO2、Na2O以及TiO2。
的阴极,以高纯(纯度为99.99%)铝靶、高纯(纯度为99.99%)铬靶作为直流磁控溅射装置的
阴极,在经过前处理后的钛合金工件表面沉积NiCrAl中间过渡层;
设备在中间过渡层表面制备MoSi2‑CoNiCrAl涂层;
的致密化程度,又提高钛合金工件的耐高温氧化性能、避免高温条件下空气中的氧扩散至
钛合金表面致使其断裂,同时还避免较薄的玻璃涂层耐磨损性能差的问题;制备得到的玻
璃‑陶瓷涂层软化温度范围宽、化学稳定性好、机械强度高、可靠性好、抗氧化隔热性能优
异。通过CoNiCrAl与MoSi2的混合配比,既提高复合涂层的耐磨稳定性能,又避免复合涂层
颗粒粗大、存在较多空洞的问题。
先用去离子水对打磨后的钛合金工件进行冲洗、再采用化学除油剂进行除油;除油后先使
用大量热水进行清洗、再采用去离子水冲洗干净;冲洗后使用体积比为1:1的稀盐酸进行浸
蚀,浸蚀时间为40~50s。
间为15~20min。
流量为6~8L/min。
将混合均匀后的粉末放入马弗炉内,分段加热熔化形成玻璃熔体;再将玻璃熔体进行水淬
急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须,使用行星球磨机对玻璃颗粒或玻璃晶须进行行星式球磨,
得到玻璃粉;最后将玻璃粉、粘结剂以及溶剂均匀混合,得到玻璃粉末料浆。
炼时间,使得玻璃均匀澄清透明化。
3。
~1.5h,取出后冷却12~18min,再将高温抗氧化复合涂层的钛合金工件浸入玻璃粉末料浆
中,制备得到抗高温氧化隔热涂层。
解,从而提高复合涂层与基体(或工件)间的结合、粘附强度,防止涂层剥离、脱落;再通过制
备MoSi2‑CoNiCrAl涂层,使得钛合金工件表面具有优异的塑性与抗氧化性,提高钛合金工
件表面的耐磨稳定性与抗高温氧化性能;最后通过玻璃涂层的制备,即有效封闭复合涂层
的孔洞、缝隙,确保复合涂层的致密化程度,又提高复合涂层与玻璃涂层之间的结合强度,
同时还避免单独使用玻璃涂层在高压、高磨损环境下,磨损性能差,易出现脱落、裂纹的问
题,导致钛合金工件抗高温氧化性能差的问题。
天、石油化工、航海、冶金等高温高压环境的钛合金工件。
附图说明
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
以及玻璃涂层40;中间过渡层20为NiCrAl涂层,高温抗氧化复合涂层30为MoSi2‑CoNiCrAl
涂层,玻璃涂层40由玻璃配料组成、玻璃配料包括Al2O3、B2O3、CaO、MgO、SiO2、Na2O以及TiO2;
中间过渡层20的厚度为0.3μm;高温抗氧化复合涂层30的厚度为7μm;玻璃涂层40的厚度为1
μm。
合金工件10表面被打磨成镜面;然后先用去离子水对打磨后的钛合金工件10进行冲洗、再
采用体积比为8:4:1:1的NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3的化学除油剂进行除油,除油时温度
为82℃;除油后先使用大量热水进行清洗、再采用去离子水冲洗干净;冲洗后使用体积比为
1:1的稀盐酸进行浸蚀,浸蚀时间为40s。
纯(纯度为99.99%)铬靶作为直流磁控溅射装置的阴极,在经过前处理后的钛合金工件10表
面沉积NiCrAl中间过渡层20;
中,采用Praxair 7700 大气型等离子喷涂设备在中间过渡层20表面制备MoSi2‑CoNiCrAl
涂层;
放入马弗炉内,以9.5℃/min的升温速率升温至 600℃、再以4℃/min的升温速率升温至
1200℃、然后保温一定的熔炼时间,使得玻璃均匀澄清透明化,得到玻璃熔体;再将玻璃熔
体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须,使用QM‑WX04 型卧式行星球磨机对玻璃颗粒或
玻璃晶须进行行星式球磨、行星球磨机的转速为270r/min,行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃
晶须、助磨剂(无水乙醇)以及磨球的质量比为3:1:3,得到玻璃粉;最后将质量比为1.8:
0.7:1.8玻璃粉、粘结剂(2%的甲基纤维素M450水溶液)以及溶剂(蒸馏水)均匀混合,得到玻
璃粉末料浆。
12min,再将高温抗氧化复合涂层30的钛合金工件10浸入上述玻璃粉末料浆中,制备得到抗
高温氧化隔热涂层。
中的氧与试样基体接触,从而起到很好的耐蚀性和抗氧化作用。
以及玻璃涂层40;中间过渡层20为NiCrAl涂层,高温抗氧化复合涂层30为MoSi2‑CoNiCrAl
涂层,玻璃涂层40由玻璃配料组成、玻璃配料包括Al2O3、B2O3、CaO、MgO、SiO2、Na2O以及TiO2;
中间过渡层20的厚度为0.45μm;高温抗氧化复合涂层30的厚度为8μm;玻璃涂层40的厚度为
1.5μm。
合金工件10表面被打磨成镜面;然后先用去离子水对打磨后的钛合金工件10进行冲洗、再
采用体积比为8:4:1:1的NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3的化学除油剂进行除油,除油时温度
为85℃;除油后先使用大量热水进行清洗、再采用去离子水冲洗干净;冲洗后使用体积比为
1:1的稀盐酸进行浸蚀,浸蚀时间为45s。
纯(纯度为99.99%)铬靶作为直流磁控溅射装置的阴极,在经过前处理后的钛合金工件10表
面沉积NiCrAl中间过渡层20;
采用Praxair 7700 大气型等离子喷涂设备在中间过渡层20表面制备MoSi2‑CoNiCrAl涂
层;
放入马弗炉内,以10℃/min的升温速率升温至 600℃、再以5℃/min的升温速率升温至1200
℃、然后保温一定的熔炼时间,使得玻璃均匀澄清透明化,得到玻璃熔体;再将玻璃熔体进
行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须,使用QM‑WX04 型卧式行星球磨机对玻璃颗粒或玻璃
晶须进行行星式球磨、行星球磨机的转速为275r/min,行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、
助磨剂(无水乙醇)以及磨球的质量比为3:1:3,得到玻璃粉;最后将质量比为2:1:2玻璃粉、
粘结剂(2%的甲基纤维素M450水溶液)以及溶剂(蒸馏水)均匀混合,得到玻璃粉末料浆。
15min,再将高温抗氧化复合涂层30的钛合金工件10浸入上述玻璃粉末料浆中,制备得到抗
高温氧化隔热涂层。
以及玻璃涂层40;中间过渡层20为NiCrAl涂层,高温抗氧化复合涂层30为MoSi2‑CoNiCrAl
涂层,玻璃涂层40由玻璃配料组成、玻璃配料包括Al2O3、B2O3、CaO、MgO、SiO2、Na2O以及TiO2;
中间过渡层20的厚度为0.6μm;高温抗氧化复合涂层30的厚度为9μm;玻璃涂层40的厚度为2
μm。
合金工件10表面被打磨成镜面;然后先用去离子水对打磨后的钛合金工件10进行冲洗、再
采用体积比为8:4:1:1的NaOH、Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3的化学除油剂进行除油,除油时温度
为88℃;除油后先使用大量热水进行清洗、再采用去离子水冲洗干净;冲洗后使用体积比为
1:1的稀盐酸进行浸蚀,浸蚀时间为50s。
纯(纯度为99.99%)铬靶作为直流磁控溅射装置的阴极,在经过前处理后的钛合金工件10表
面沉积NiCrAl中间过渡层20;
中,采用Praxair 7700 大气型等离子喷涂设备在中间过渡层20表面制备MoSi2‑CoNiCrAl
涂层;
放入马弗炉内,以10.5℃/min的升温速率升温至 600℃、再以6℃/min的升温速率升温至
1200℃、然后保温一定的熔炼时间,使得玻璃均匀澄清透明化,得到玻璃熔体;再将玻璃熔
体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须,使用QM‑WX04 型卧式行星球磨机对玻璃颗粒或
玻璃晶须进行行星式球磨、行星球磨机的转速为280r/min,行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃
晶须、助磨剂(无水乙醇)以及磨球的质量比为3:1:3,得到玻璃粉;最后将质量比为2.2:
1.3:2.2玻璃粉、粘结剂(2%的甲基纤维素M450水溶液)以及溶剂(蒸馏水)均匀混合,得到玻
璃粉末料浆。
18min,再将高温抗氧化复合涂层30的钛合金工件10浸入上述玻璃粉末料浆中,制备得到抗
高温氧化隔热涂层。
钛合金试样在恒温800℃条件下恒温氧化20h后,表面颜色发生变化,这是由于氧化后生成
新的氧化物所致且氧化膜开始出现开裂、剥落现象;本申请实施例1中的样品在800℃下恒
温氧化200 h后,其涂层结构依然完整、表面未出现明显可见的颜色变化,表明本申请抗高
温氧化隔热涂层显著提高了钛合金的抗氧化性能,在空气环境下为钛合金提供更好的抗氧
化保护。
试结果如图3所示,由图3可以看出,试验后的钛合金整体观测几乎无裂纹、仅压痕边缘有非
常轻微的裂纹,未出现任何薄膜剥落现象,薄膜仍然保持的极为完整,这说明薄膜具有良好
韧性和抗塑性变形能力,显示出优异的断裂韧性和膜基结合力。
20000转,对实施例2中的试样进行高温摩擦试验,试验结果如图4所示。图4表明:采用本申
请制备的抗高温氧化隔热涂层在高温、高强度连续摩擦试验后,仅出现轻微的磨损,磨痕深
度浅、宽度小,涂层保持完好且整个涂层在摩擦过程中未出现剥落失效的情况。
和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。