一种在钛合金表面低温下形成无裂纹扩散铝涂层的方法

摘要

一种在钛合金表面低温下形成无裂纹扩散铝涂层的方法，主要分两步进行：一、将钛合金表面经打磨、喷砂后，镀一层铝。二、表面镀铝的钛合金在真空炉中低温扩散形成无裂纹铝扩散涂层。应用本发明可在钛合金表面低温下形成了无裂纹铝扩散涂层；而且铝扩散涂层的厚度和成分可以通过调整电弧离子镀铝层的厚度和成分(加入其它合金元素如Y、Cr等)来控制。本发明操作过程中不产生粉末，具有不污染环境和环保的优点，而且对操作者无害。

说明书

技术领域：本发明涉及一种金属表面处理方法，尤其是一种在钛合金表面低温下形成无裂纹扩散铝涂层的方法，属于材料科学领域。

背景技术：钛合金由于密度小、比强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、航天、汽车等工业领域，特别是钛铝基合金具有高温下优异的力学性能，比如高温强度和高温蠕变性能接近于镍基高温合金，因此被认为是航空发动机和燃气轮机压气机叶片材料镍基高温合金的优异替代者，用于减轻飞机结构重量、提高推重比和飞行安全性能。国际航空工业的发展趋势是使航空发动机压气机叶片全钛化，但由于高温下使用的钛合金的氧化和氧脆严重影响其热稳定性能和使用寿命，必须通过表面处理和施加合适的抗高温腐蚀涂层来提高钛合金抗高温环境腐蚀能力，从而加速钛合金和钛铝基合金在工业领域全面应用的步伐。通常提高金属材料(镍基高温合金)的抗高温腐蚀涂层从时间发展顺序来讲分为三代：第一代铝扩散涂层和铂铝扩散涂层；第二代MCrAlY涂层；第三代热障涂层。然而它们均不适合钛合金，MCrAlY涂层和热障涂层由于高温下与钛合金基体严重的互扩散使得涂层在很短的时间便失去对基体的防护作用，而采用通常对镍基高温合金表面制备铝扩散涂层和铂铝扩散涂层的方法(粉末包埋法和化学气相沉积，扩散温度在900℃以上)来对钛合金表面制备的铝扩散涂层和铂铝扩散涂层通常存在涂层成分和厚度不易控制、贯穿涂层的表面裂纹等缺点，使得涂层的保护性能下降，并且影响基体钛合金的力学性能。

发明内容：针对以上问题，本发明提供了一种操作简单、低温条件下在钛合金表面形成无裂纹扩散铝涂层的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种在钛合金表面低温下形成无裂纹扩散铝涂层的方法，主要分两步进行：一、将钛合金表面经打磨、喷砂后，镀一层铝(厚度决定最后形成扩散铝涂层的厚度)。二、将表面镀铝的钛合金在真空炉中低温扩散形成无裂纹铝扩散涂层。

本发明的特点：应用本发明可在钛合金表面低温下形成了无裂纹铝扩散涂层；而且铝扩散涂层的厚度和成分可以通过调整电弧离子镀铝层的厚度和成分(加入其它合金元素如Y、Cr等)来控制。本发明操作过程中不产生粉末，具有不污染环境和环保的优点，而且对操作者无害。

具体实施方式：

一种在钛合金表面低温下形成无裂纹扩散铝涂层的方法，主要分两步进行：一、将钛合金表面经打磨、喷砂后，镀一层铝：将钛合金表面使用水磨砂纸打磨至800#；然后用200目玻璃丸喷砂，湿喷，喷砂压力2.5×10⁵Pa，时间1min；接着采用电弧离子镀膜机镀铝，真空室本底真空度为7×10³Pa，靶材为纯铝(99.9％)，镀铝时通入氩气使真空度为0.1-0.3Pa，先用-800V偏压轰击清洗钛合金表面3-5min，然后以-200-300V偏压镀铝至所需厚度，镀铝时脉冲偏压占空比为20-40％，电弧电压15-20V，电弧电流60-70A；二、将表面镀铝的钛合金在真空炉中低温扩散形成无裂纹铝扩散涂层：表面镀铝的钛合金在真空炉中氩气保护下550-650℃低温扩散形成无裂纹铝扩散涂层，氩气保护下钛合金随炉升温至扩散温度，升温速度不超过8℃/min，扩散前真空室本底真空度为7×10^-3Pa，通入氩气使真空度为0.1-0.3Pa后进行扩散，扩散时间为12-48h，随炉冷却。

实施例1

γ-TiAl合金表面使用水磨砂纸打磨至800#；然后用200目玻璃丸喷砂，湿喷，喷砂压力2.5×10⁵Pa，时间1min；；接着采用电弧离子镀膜机镀铝，真空室本底真空度为7×10^-3Pa，靶材为纯铝(99.9％)，镀铝时通入氩气使真空度为0.2Pa，先用-800V偏压轰击清洗γ-TiAl合金表面3min，然后以-300V偏压镀铝至厚度20μm，镀铝时脉冲偏压占空比为30％，电弧电压20V，电弧电流65A；下一步将表面镀铝的γ-TiAl合金在真空炉中氩气保护下600℃低温扩散形成无裂纹铝扩散涂层，氩气保护下γ-TiAl合金随炉升温至扩散温度，升温速度不超过8℃/min，扩散前真空室本底真空度为7×10^-3Pa，通入氩气使真空度为0.1Pa后进行扩散，扩散时间为24h，随炉冷却。经测试该涂层在空气中900℃下等温氧化300h和循环氧化200次(1次为氧化1h+15min空冷)，表面形成一层黏附性良好的保护性氧化铝膜对涂层和基体γ-TiAl合金起到了良好的保护作用，涂层未见开裂和剥落。

实施例1

O相Ti22Al26Nb合金表面使用水磨砂纸打磨至800#；然后用200目玻璃丸喷砂，湿喷，喷砂压力2.5×10⁵Pa，时间1min；；接着采用电弧离子镀膜机镀铝，真空室本底真空度为7×10^-3Pa，靶材为纯铝(99.9％)，镀铝时通入氩气使真空度为0.2Pa，先用-800V偏压轰击清洗Ti22Al26Nb合金表面3min，然后以-300V偏压镀铝至厚度20μm，镀铝时脉冲偏压占空比为30％，电弧电压20V，电弧电流65A；下一步将表面镀铝的Ti22Al26Nb合金在真空炉中氩气保护下600℃低温扩散形成无裂纹铝扩散涂层，氩气保护下Ti22Al26Nb合金随炉升温至扩散温度，升温速度不超过8℃/min，扩散前真空室本底真空度为7×10^-3Pa，通入氩气使真空度为0.1Pa后进行扩散，扩散时间为24h，随炉冷却。经测试该涂层在空气中800℃下等温氧化300h和循环氧化200次(1次为氧化1h+15min空冷)，表面形成一层黏附性良好的保护性氧化铝膜对涂层和基体Ti22Al26Nb合金起到了良好的保护作用，涂层未见开裂和剥落。