本發(fā)明涉及航空發(fā)動機零件表面防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種γ-TiAl合金表面高溫防護(hù)涂層的設(shè)計和方法。

背景技術(shù)：

γ-TiAl合金具有高的高溫屈服強度、高的蠕變抗力和斷裂韌性，以及低的缺口敏感性，與傳統(tǒng)的鎳基高溫合金相比，其比強度更高，是航空、航天飛行器理想的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。然而在超過750℃的高溫下，Ti-Al金屬間化合物的抗氧化性能急劇下降。同時，由于高溫下N、O原子滲入，合金易產(chǎn)生次表層脆化現(xiàn)象。因此，目前γ-TiAl合金的有效使用溫度不能滿足發(fā)動機熱端部件的工作要求。

在正常氧化條件下，γ-TiAl合金的氧化膜主要組成相是TiO₂和Al₂O₃。在所有氧化膜中，Al₂O₃是最具保護(hù)性的氧化物之一，化學(xué)穩(wěn)定性高，而且氧離子在其中擴散系數(shù)很低。TiO₂具有疏松的結(jié)構(gòu)和較大的氧滲透率，在高溫下難以賦予合金充分的抗氧化保護(hù)作用。Ti-Al金屬間化合物中盡管含有大量的鋁，但從熱力學(xué)條件看，Al₂O₃和TiO₂的生成自由能十分接近，而且鋁的活度與其成分存在嚴(yán)重的負(fù)偏差，即使是含Al量最高的γ-TiAl合金，也很難通過鋁的選擇性氧化形成具有保護(hù)性的連續(xù)Al₂O₃氧化膜。

在保持γ-TiAl合金整體力學(xué)性能的前提下提高其抗高溫氧化性能，最有效的方法便是在合金表面制備抗氧化性優(yōu)良的保護(hù)涂層。然而，傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層易剝落，合金涂層在高溫下長期服役時因互擴散而導(dǎo)致抗氧化性能快速下降，傳統(tǒng)化學(xué)熱處理易導(dǎo)致氫脆（如Surface and Coatings Engineering雜志1998年第110卷57-61頁報道的研究結(jié)果）。

多層結(jié)構(gòu)涂層增加了界面數(shù)，有利于阻礙氧元素向基體的內(nèi)擴散，從而延長涂層的使用壽命，如：Corrosion Science雜志2014年第80卷19-27頁報道的在8Nb-TiAl合金表面制備(Al₂O₃+Y₂O₃)/YSZ多層膜一文就提到了這一觀點，然而(Al₂O₃+Y₂O₃)/YSZ多層膜在長時間高溫服役的條件下易出現(xiàn)的裂紋擴散情況限制了其進(jìn)一步的研發(fā)和應(yīng)用。

為了盡快滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)p比重、高性能的高溫結(jié)構(gòu)材料的迫切需求，γ-TiAl合金的高溫抗氧化性能的提高與解決已成為關(guān)鍵的工程問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種具備一定自修復(fù)性能的(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層，并提供其制備方法，以提高γ-TiAl合金的抗高溫氧化性能。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是：一種在γ-TiAl合金表面制備的(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層，包括表層(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷層和次表層AlYMoSi合金層，所述的表層和次表層依次交替排列形成所述的多層結(jié)構(gòu)涂層，所述的多層結(jié)構(gòu)涂層通過AlYMoSi合金層與基體γ-TiAl合金表面連接。

其中，所述的(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷厚度為2~5μm；所述的AlYMoSi合金層的厚度為1~3μm，所述的多層結(jié)構(gòu)涂層的總厚度為50~80μm。

(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷層的成分配比為：Al₂O₃占95~99wt%，余量為Y₂O₃。

AlYMoSi合金層的成分配比為：Al占45~50wt%，Mo占15~20wt%，Si占25~30wt%，Y占2~5wt%。

一種在γ-TiAl合金表面制備(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層的方法，采用磁控濺射技術(shù)，將基體γ-TiAl合金置于工件臺上，在濺射源上分別裝上(Al₂O₃+Y₂O₃)靶材和AlYMoSi靶材，對基體γ-TiAl合金進(jìn)行交替濺射鍍膜處理，其中表層為(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷層，次表層為AlYMoSi合金層，依次交替沉積，直至與基體γ-TiAl合金接觸的沉積層為AlYMoSi合金層。其具體步驟如下：

1）將基體γ-TiAl合金與濺射靶材裝入磁控濺射裝置中，γ-TiAl合金置于試樣臺上，(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷靶和AlYMoSi合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；

2）抽真空，送入氬氣，點擊AlYMoSi合金靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)為：

濺射功率：150~200W；

工作氣壓：0.3~0.5Pa；

基體與靶材間距：20~35mm；

濺射時間：1h；

3）關(guān)閉AlYMoSi合金靶濺射電源，開啟(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)為：

濺射功率：250~300W；

工作氣壓：0.3~0.5Pa；

基體與靶材間距：20~35mm；

濺射時間：2h；

4）依次交替沉積，直至涂層總厚度達(dá)到50~80μm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1）多層結(jié)構(gòu)涂層增加了界面數(shù)，有利于阻礙氧元素向基體的內(nèi)擴散，從而延長涂層的使用壽命。

2）(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層中的(Al₂O₃+Y₂O₃)表面功能防護(hù)層賦予γ-TiAl合金充分的抗氧化能力。

3）(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層中的AlYMoSi自修復(fù)元素補給層中Mo、Si元素易聚集于涂層的裂紋處，能在高溫條件下形成Mo與Si的氧化物以作為裂紋的“填充物”，將裂紋填補修補，因而克服在高溫條件下(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層分解嚴(yán)重的問題。

4）(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層中的AlYMoSi自修復(fù)元素補給層與基體合金結(jié)合，可在高溫下長時間有效延緩沉積層中Al、Y原子的丟失，確保(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層抗氧化特性的有效性和持久性。

5）涂層采用磁控濺射技術(shù)制備，即通過分別對(Al₂O₃+Y₂O₃)靶材和AlYMoSi靶材交替進(jìn)行濺射，通過工作氣壓、濺射功率、以及靶材-基體間距的調(diào)節(jié)與控制，在基體γ-TiAl合金表面形成(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層。該方法效率高、工藝簡單，且制備的(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)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(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，完全可以在具體實施方式所列數(shù)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的概括和推導(dǎo)。

實施例一：

1）將基體γ-TiAl合金與濺射靶材裝入磁控濺射裝置中，γ-TiAl合金置于試樣臺上，(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷靶和AlYMoSi合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中。

2）抽真空，送入氬氣，點擊AlYMoSi合金靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)為：

濺射功率：200W

工作氣壓：0.4Pa

基體與靶材間距：20mm

濺射時間：1h

3）關(guān)閉AlYMoSi合金靶濺射電源，開啟(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)為：

濺射功率：300W

工作氣壓：0.4Pa

基體與靶材間距：20mm

濺射時間：2h

4）依次交替循環(huán)8次。

5）關(guān)閉電源，破真空、取試樣，完成(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層的制備。

所制得(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層其結(jié)構(gòu)示意圖如圖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60μm，其中(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷層厚5μm，AlYMoSi合金層厚3μm。在1000°C下高溫氧化實驗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4.3mg/cm²，較基體γ-TiAl合金的氧化增重值12.7mg/cm²有了明顯的下降。

實施例二：

1）將基體γ-TiAl合金與濺射靶材裝入磁控濺射裝置中，γ-TiAl合金置于試樣臺上，(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷靶和AlYMoSi合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中。

2）抽真空，送入氬氣，點擊AlYMoSi合金靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)為：

濺射功率：150W

工作氣壓：0.3Pa

基體與靶材間距：30mm

濺射時間：1h

3）關(guān)閉AlYMoSi合金靶濺射電源，開啟(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)為：

濺射功率：250W

工作氣壓：0.3Pa

基體與靶材間距：30mm

濺射時間：2h

4）依次交替循環(huán)10次。

5）關(guān)閉電源，破真空、取試樣，完成(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層的制備。

所制得(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)涂層均勻致密，無裂紋、孔洞等缺陷，其總厚度達(dá)到50μm，其中(Al₂O₃+Y₂O₃)陶瓷層厚3μm，AlYMoSi合金層厚2μm。在1100°C下高溫氧化實驗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3.1mg/cm²，較基體γ-TiAl合金的氧化增重值8.5mg/cm²有了明顯的下降。

本發(fā)明在γ-TiAl合金表面制備的多層結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層與一般的陶瓷或合金涂層不同，而是由AlYMoSi自修復(fù)元素補給層和(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層組成。外層的(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層賦予γ-TiAl合金充分的抗氧化能力；AlYMoSi自修復(fù)元素補給層與基體合金結(jié)合，可在高溫下長時間有效延緩(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層中Al、Y原子的丟失，確保(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層抗氧化特性的有效性和持久性。并且AlYMoSi自修復(fù)元素補給層中Mo、Si元素易聚集于涂層的裂紋處，能在高溫條件下形成Mo與Si的氧化物以作為裂紋的“填充物”，將裂紋填補修補，因而克服在高溫條件下(Al₂O₃+Y₂O₃)功能防護(hù)層分解嚴(yán)重的問題。此外，多層結(jié)構(gòu)涂層增加了界面數(shù)，有利于阻礙氧元素向基體的內(nèi)擴散，從而延長涂層的使用壽命。通過本發(fā)明方法在γ-TiAl合金表面制備的(Al₂O₃+Y₂O₃)/AlYMoSi多層結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層可賦予其長期優(yōu)良的抗高溫氧化性能，同時基體材料的性能得以完整保留。由于研究對象的典型性，其研究成果將能推廣到其它領(lǐng)域，其工程價值也非常突出。