一種鈦合金表面制備高Nb鈦鋁基合金抗氧化涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種鐵合金表面制備高佩鐵侶基合金抗氧化涂層的方法，屬于激光 烙覆材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵合金由于其比強度、比模量高、生物相容性好W及優(yōu)良的耐酸堿腐蝕性等特點 而被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、海洋開發(fā)、能源化工及機械制造等領(lǐng)域，是目前綜合 性能較為優(yōu)異的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料。但高溫抗氧化性能不足，尤其是在600°CW上時所發(fā) 生劇烈氧化而失效，把絕大多數(shù)鐵合金的使用溫度限制在600°C左右。目前，美國、英國、日 本、俄羅斯等傳統(tǒng)鐵合金研發(fā)強國所開發(fā)的鐵合金極限使用溫度均在650°CW下，纖維或顆 粒增強鐵合金最高使用溫度也限制在650°C左右。
[0003] 提高鐵合金高溫抗氧化性能的方法有離子注入、噴涂(冷噴涂、熱噴涂、等離子噴 涂)、氣相沉積、鍛層(熱鍛、電鍛、化學鍛)、激光烙覆等。主要工藝都是在鐵合金表面制備高 溫抗氧化層，通過隔絕鐵合金與氧化性氣氛的直接接觸及增加鐵合金氧化阻力來提高其抗 氧化性能。與其它幾種抗氧化涂層制備方法相比，激光烙覆在制備效率、界面結(jié)合強度、選 區(qū)烙覆、涂層厚度、生產(chǎn)柔性等方面具有綜合優(yōu)勢。
[0004] 高Nb鐵侶基合金由于密度低、阻燃性能和高溫抗氧化性能優(yōu)良及其在一定溫度 范圍內(nèi)反常的強度-溫度（σ-T)性能，而成為一種具有極大應(yīng)用潛力的高溫抗氧化涂層材 料體系。此外，高Nb鐵侶基合金涂層與鐵合金基體物理化學相容性好，熱膨脹系數(shù)比較接 近。在高溫下涂層表面能形成一層致密、低揮發(fā)性、氧擴散速率極低的Al2〇3膜，對提高鐵合 金抗氧化性能有顯著效果，能夠大幅提高鐵合金使用溫度極限。
[0005] 但通過烙煉適當成分合金而后制造專用高Nb鐵侶基合金激光烙覆粉末，存在W 下幾個方面問題：當賠煉過程中合金元素燒損使合金成分波動較大，雜質(zhì)元素不可避免 地混入到合金溶液中；嶺液態(tài)合金凝固后宏觀/微觀偏析引起合金成分在空間上有明顯起 伏，涂層一致性較低；感部分合金元素在高溫下具有很高的活性，其烙煉條件要求非?？?亥IJ;畫涂層成分難W調(diào)整，專用合金粉末制備成本高昂。目前專口針對激光烙覆表面改性 合金粉末材料的研究鮮見報道，絕大部分現(xiàn)有的合金粉末中其成分也并未依據(jù)激光烙覆工 藝條件進行相應(yīng)調(diào)整。
[0006] 由于原位合成技術(shù)整個制備過程在材料內(nèi)部完成，因而具有合成成本低、產(chǎn)物顆 粒細小且分布均勻、相表面無污染且成分調(diào)控范圍大、合金成分調(diào)整方便、無需專用粉末等 優(yōu)點。與利用專用合金粉末激光烙覆制備涂層相比，激光原位合成技術(shù)在制備成本、合金成 分調(diào)整、粉末對激光工藝的適應(yīng)性方面具有明顯優(yōu)勢。
[0007] 經(jīng)過國內(nèi)外公開發(fā)表的相關(guān)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前在鐵合金高溫抗氧化涂層表面改 性領(lǐng)域，國內(nèi)外學者研究主要集中于滲侶涂層、MCrAlY(M=Ni，Co/Ni+Co)涂層、陶瓷氧化物 涂層、搪瓷涂層等方面，而涂層的制備方法主要集中在浸滲、磁控瓣射、氣相沉積等方面，運 些方法有效的提高了鐵合金的高溫抗氧化性能，進而大幅度提高了其使用溫度。早在上世 紀60年代，美國就通過在艾利遜發(fā)動機使用浸潰侶涂層來阻止飛機機翼周期性的氧化剝 落。我國則在70年代中期采用料漿滲侶工藝制備涂層來防護鐵合金葉片。相對于滲侶涂 層，MCrAlY(M=Ni，Co/Ni+Co)涂層表現(xiàn)出更好的抗氧化性能。中南大學在TC4鐵合金表面制 備的NiCrAlY涂層有效地改善了該合金在600-900°C范圍內(nèi)的氧化行為。美國通過CoCrAlY 和NiCrAlY涂層防護JT80發(fā)動機葉片，其使用壽命較傳統(tǒng)侶化物涂層提高5倍。通過磁控 瓣射和等離子噴涂技術(shù)制備的TiAl/TiA^化系涂層氧化時能迅速形成連續(xù)的Al2〇3保護 膜，能夠有效地提高合金的抗氧化能力，同時也能更好地兼顧涂層與基體的相容性，被認為 是鐵合金防護涂層中最有效的涂層體系之一。搪瓷涂層則具有與鐵合金基材相近的熱膨脹 系數(shù)、低的導熱系數(shù)W及高的化學穩(wěn)定性，能夠有效抵抗高溫燃氣流對基材的沖刷并降低 鐵合金基材的溫度，從而顯著提高鐵合金在高溫燃氣流作用下的抗氧化性能。而Al2〇3等陶 瓷對氧向基體的擴散有強烈的阻礙作用，通過氣相沉積、等離子噴涂、磁控瓣射等技術(shù)在鐵 合金表面制備的陶瓷涂層能夠有效保護基體合金。
[0008] 通過上述研究成果可W發(fā)現(xiàn)，通過在鐵合金表面制備抗氧化涂層而在氧化性氣氛 與鐵合金表面形成保護屏障避免氧化性氣氛與鐵合金基體直接接觸是改善鐵合金抗氧化 性能最為有效和直接的方法之一。上述高溫抗氧化涂層研究中，主要集中在通過浸滲、磁控 瓣射、氣相沉積、等離子噴涂等工藝在在鐵合金表面制備涂層W提高其高溫抗氧化性能方 面，而通過激光原位合成技術(shù)及后處理在鐵合金表面制備高溫抗氧化涂層W提高其高溫抗 氧化性能方面的研究目前還比較少。高佩鐵侶基合金涂層與鐵合金基體有較為良好的相 容性和優(yōu)異的抗氧化性能，能夠緊密貼合在鐵合金基體表面從而保證涂層對鐵合金基體的 防護效果。鑒于高Nb鐵侶基合金涂層對基體良好的防護效果和輕質(zhì)高強的特點W及激光 原位合成技術(shù)相對浸滲、磁控瓣射、氣相沉積、等離子噴涂等涂層制備技術(shù)在合成成本、產(chǎn) 物顆粒及分布、成分調(diào)控、粉末選用等方面的優(yōu)點，本發(fā)明綜合利用二者的技術(shù)優(yōu)勢，通過 高能激光束作用下Ti-Al-Nb混合元素粉末之間的原位反應(yīng)及隨后的熱處理在鐵合金表面 制備對鐵合金有基體良好防護效果和輕質(zhì)高強的高Nb鐵侶基合金雙相涂層，W期有效的 提高基體的抗氧化性能，從而擴大鐵合金的使用溫度范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種鐵合金表面制備高佩鐵侶基合金抗氧化涂層的方 法，具體包括W下步驟： (1) 對鐵合金進行預處理：去除鐵合金表面氧化膜、殘存的油污及雜質(zhì)，干燥后備用； (2) 將11粉、41粉、佩粉按11、41、佩原子比（別.於為40-45:40-45:10-15的比例混 合均勻，Ti粉、A1粉、佩粉的平均粒徑均為75μπι-85μπι，其中，Ti粉和A1粉的原子比為 1:1; (3) 在Ar、N2或者Nz-Ar混合氣體保護環(huán)境中，利用高能激光束作用下的原位自生反應(yīng) 在鐵合金上制備得到厚薄均勻、表面粗糖度較小的高Nb鐵侶基合金涂層； (4) 在惰性氣體保護下對高佩鐵侶基合金涂層進行熱處理。
[0010] 優(yōu)選的，本發(fā)明所述鐵合金進行預處理具體包括W下步驟，用砂紙打磨后的鐵合 金放入質(zhì)量百分比濃度為4~6%的化0H水溶液中浸泡5~lOmin，然后后用清水沖洗并放 入無水乙醇中超聲清洗，去除部件表面殘存的油污及雜質(zhì)；清洗完畢后，鐵合金于溫度為 60~80°C干燥0. 5-比。
[0011] 優(yōu)選的，本發(fā)明步驟（2)中通過球磨的方式將Ti粉、A1粉、佩粉混合均勻，球磨的 參數(shù)為球磨轉(zhuǎn)速為45-60r/min，球料比為15:1-20:1，球磨時間為2. 5~化。
[0012]優(yōu)選的，本發(fā)明激光器工作條件為：掃描速度為300-350mm/min，激光功率為 3. 8-4. 2kW，離焦量《50mm，此時聚焦光斑直徑《5mm，搭接率> 15%。
[0013] 優(yōu)選的，本發(fā)明熱處理溫度為1200±5(TC，保溫時間為5~6h。
[0014] 優(yōu)選的，用金相砂紙去除鐵合金表面上的氧化膜；為了盡量減小鐵合金表面對 激光束的反射，提高鐵合金對激光束能量的吸收率，用金相砂紙打磨鐵合金表面時只需打 磨到400#金相砂紙即可；打磨后將鐵合金部件放入4-6% (化％)的化0H水溶液中浸泡 5~lOmin，浸泡后用清水沖洗并放入無水乙醇后超聲清洗，盡可能去除部件表面殘存的油污 及雜質(zhì)；清洗完畢后，將鐵合金部件放入干燥箱中干燥，干燥溫度為60-80°C，干燥時間為 0. 5~lh〇
[0015] 混合完成后，把粉末與磨球放入球磨罐內(nèi)，并抽真空；為了減小鋼質(zhì)磨球?qū)?混合粉末的污染，并提高磨球?qū)旌戏勰┭心バ?，本發(fā)明選用了平均直徑分別為 & - =140-Umm，:胃該綿議鷄纖|，級配比為滅:??綾g,;:蹲1莎I.的瑪瑤磨球；抽完真至并將球磨 罐用橡膠密封圈密封后，采用合適的工藝參數(shù)對混合粉末進行球磨混合；球磨工藝參數(shù)： 球磨轉(zhuǎn)速45-6化/111血球料比&'.及:丹！如=1.5:；1-20:；1，球磨時間為2.5-化。
[0016] 對于幾何形狀較為規(guī)則，表面比