本發(fā)明涉及汽車與飛機(jī)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)涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
γ-TiAl合金的優(yōu)異高溫性能使其成為國家重大科技專項大飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)輪盤、葉片等部件的候選材料，也是近空間高超聲速飛行器外面板的重要備選材料。然而γ-TiAl合金也存在一些性能上的缺陷使得其應(yīng)用受到限制，其中最突出的問題是高溫抗氧化性能嚴(yán)重不足。大量的研究與試驗表明，在超過800℃的高溫下，γ-TiAl合金的抗氧化性能急劇下降。同時，由于高溫下N、O原子的滲入，合金易產(chǎn)生次表層脆化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致γ-TiAl合金的熱穩(wěn)定性、持久強(qiáng)度、蠕變抗力及疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能大大降低。因此，目前γ-TiAl合金的有效使用溫度不超過800℃，不能滿足高超音速飛行器外的工作要求[10]。為了盡快滿足航空航天以及國防軍工等部門對輕比重、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，若能使γ-TiAl合金的高溫抗氧化溫度提高到900~1100℃，對新一代戰(zhàn)斗機(jī)、高超音速飛行器的減重及性能提高具有十分重要的意義。
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。在γ-TiAl合金表面濺射或噴涂制備的CoCrAlY和NiCrAlY熱障涂層，能夠顯著提高γ-TiAl的抗氧化性能。但是在高溫下MCrAlY合金涂層與基體間將產(chǎn)生互擴(kuò)散，界面產(chǎn)生Kirkedall孔洞并析出硬脆相，嚴(yán)重降低結(jié)合強(qiáng)度和基體材料的疲勞性能（Z. L. Tang, F. H. Wang and W. T. Surf. Coat. Technol., 1998, 99: 248-252）。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(kuò)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(kuò)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，如何提高γ-TiAl合金的高溫抗氧化性能已成為關(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γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結(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γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層，包括表層(Al2O3+Y2O3)陶瓷層和次表層AlSiY合金層，表層和次表層通過冶金連接，次表層與基體γ-TiAl合金通過冶金連接，其中，自(Al2O3+Y2O3)陶瓷層表面向基體γ-TiAl合金表面方向，O元素含量呈梯度下降，Al和Y元素含量呈梯度上升，Ti元素含量呈梯度上升。
進(jìn)一步的， (Al2O3+Y2O3)陶瓷層和AlSiY合金層分別由(Al2O3+Y2O3)納米顆粒和AlSiY合金顆粒組成。
進(jìn)一步的，(Al2O3+Y2O3)陶瓷厚度為15~30μm。
進(jìn)一步的，AlSiY合金層的厚度為15~30μm。
上述防護(hù)涂層的制備方法，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AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶，對基體γ-TiAl合金先后進(jìn)行AlSiY膜層和(Al2O3+Y2O3)膜層濺射鍍膜處理，其中表層為(Al2O3+Y2O3)陶瓷層，次表層為AlSiY合金層，直至達(dá)到所需厚度，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， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；
2）抽真空至3×10-5Pa以下，送入氬氣，點擊AlSiY合金靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：350~500W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
隨后，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：150~200W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：25~40mm；
濺射時間：2~4h；
隨后，再調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：500~600W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
3）關(guān)閉AlSiY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：350~500W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
隨后，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：250~300W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：25~40mm；
濺射時間：2~4h；
隨后，再調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：500~600W；
工作氣壓：0.3~0.5Pa；
基體與靶材間距：15~20mm；
濺射時間：10~30min；
4）關(guān)閉電源，空置設(shè)備2~5h，使試樣自然冷卻；
5）破真空，取樣。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
1）納米梯度結(jié)構(gòu)涂層中的元素成分、組織結(jié)構(gòu)的梯度分度有效地減弱了因成分與結(jié)構(gòu)突變造成的高溫環(huán)境下的應(yīng)力集中、涂層結(jié)合力減弱的情況。
2）AlSiY合金層中Al、Y和Si元素能夠為(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層提高一定的自修復(fù)性能，從而達(dá)到延長涂層使用壽命的目的。
3）涂層采用磁控濺射技術(shù)制備，即對(Al2O3+Y2O3)靶材和AlSiY靶材分別進(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)/AlSiY納米梯度結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層。該方法效率高、工藝簡單，且制備的高溫防護(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)/AlSiY納米梯度結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層表面SEM形貌圖。
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， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；
2）抽真空至2×10-5Pa，送入氬氣，點擊AlSiY合金靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：400W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間：20min；
使基體γ-TiAl合金表面活化、能量升高，并留下一定的空位。隨后，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：150W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：3h；
形成AlSiY合金層的主體部分。隨后，再調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間：20min；
增加AlSiY合金層與基體γ-TiAl合金的結(jié)合強(qiáng)度。
3）關(guān)閉AlSiY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：400W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間：30min；
使AlSiY合金層表面活化、能量升高，并留下一定的空位。隨后，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：300W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：3h；
形成(Al2O3+Y2O3)陶瓷層的主體部分。隨后，再調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.4Pa；
基體與靶材間距：15mm；
濺射時間： 30min；
增加(Al2O3+Y2O3)陶瓷層與AlSiY合金層的結(jié)合強(qiáng)度。
4）關(guān)閉電源，空置設(shè)備5h，使試樣自然冷卻。
5）破真空，取樣。
所制得(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層表面形貌如圖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50μm，其中(Al2O3+Y2O3)陶瓷層厚20μm，AlSiY合金層厚30μm。在1200°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6.1mg/cm2，較基體γ-TiAl合金的氧化增重值109.3mg/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， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分別裝入不同的濺射源槍套中；
2）抽真空至1×10-5Pa，送入氬氣，點擊AlSiY合金靶濺射電源，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：350W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：20mm；
濺射時間：20min；
使基體γ-TiAl合金表面活化、能量升高，并留下一定的空位。隨后，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：150W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：2h；
形成AlSiY合金層的主體部分。隨后，再調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：20mm；
濺射時間：20min；
增加AlSiY合金層與基體γ-TiAl合金的結(jié)合強(qiáng)度。
3）關(guān)閉AlSiY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：350W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距： 20mm；
濺射時間：20min；
使AlSiY合金層表面活化、能量升高，并留下一定的空位。隨后，調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：250W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距：30mm；
濺射時間：2h；
形成(Al2O3+Y2O3)陶瓷層的主體部分。隨后，再調(diào)試工藝參數(shù)至：
濺射功率：500W；
工作氣壓：0.3Pa；
基體與靶材間距： 20mm；
濺射時間：20min；
增加(Al2O3+Y2O3)陶瓷層與AlSiY合金層的結(jié)合強(qiáng)度。
4）關(guān)閉電源，空置設(shè)備2~5h，使試樣自然冷卻。
5）破真空，取樣。
所制得(Al2O3+Y2O3)/AlSiY納米梯度結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層均勻致密，無裂紋、孔洞等缺陷，其總厚度達(dá)到40μm，其中(Al2O3+Y2O3)陶瓷層厚15μm，AlYMoSi合金層厚25μm。在1300°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9.4mg/cm2，較基體γ-TiAl合金的氧化增重值89.7mg/cm2有了明顯的下降。