γ-TiAl合金表面耐高温氧化的Al-Y梯度防护合金涂层及其制备方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及金属材料表面改性技术，特别涉及一种γ-TiAl合金表面耐高温氧化 的A1-Y梯度防护合金涂层及其制备方法。
【背景技术】：
[0002] γ-TiAl合金具有好的综合力学性能，如延性、强度和抗蠕变性能，密度是镍基合 金的一半，却有与之相近的高温力学性能，因此具有广泛的应用前景。但γ-TiAl合金在 700°C以上的高温环境中会出现呈分层结构的氧化物层：外层为TiOjl，内层的Ti氧化物 与A1203的混合物层构成，而且内部的氧化物层比较疏松，未能形成对扩散过程的有效阻 碍，这被认为是TiAl合金高温下抗氧化性能较差的主要原因。
[0003] 表面改性技术在不影响力学性能的前提下，可改善γ-TiAl合金抗高温氧化性 能。其中铝涂层是一种通过A1原子扩散提高基体材料表面的A1含量使其达到形成氧化物 的临界含量，从而在基体材料表面形成富A1的金属化合物。置于氧化环境下，A1原子与0 原子结合形成A1203。A1203组织致密，又兼具自修复性，能够有效提高基体的抗氧化性。但 铝涂层由于热膨胀系数不匹配，极易在涂层内部产生裂纹，这些裂纹为0原子扩散提供通 道，最终导致涂层失去对基体的保护作用。
[0004] 改善铝涂层的方法是通过多元共渗技术制备改性铝化物涂层，例如Al-Cr、Al-Si 及Al-Ti等，通过提高涂层与基体的结合力，提高抗氧化性能。但这些涂层都存在一些不 足，例如Al-Cr涂层在氧化过程中出现涂层增厚、析出相沉淀粗化现象；Al-Si涂层与基体 之间存在较大热应力，产生横向裂纹，氧化后期会失去对基体的保护作用等。目前缺少一种 能够有效改善铝涂层结合力，促进连续保护性的A1203生成的改性铝化物涂层及其制备方 法。
【发明内容】
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[0005] 本发明旨在提高γ-TiAl合金的抗高温氧化性能，通过提供一种能够有效改善错 涂层结合力，促进连续保护性的A1203生成的改性铝化物涂层，即采用在纯铝中添加稀土 元素钇，以提高铝涂层的结合力和抗高温氧化性能，最终提高γ-TiAl合金的服役温度。
[0006] 本发明采用如下技术方案：一种γ-TiAl合金表面耐高温氧化的A1-Y梯度防护 合金涂层，由表及里依次包括沉积层、扩散层、基体层三部分，所述沉积层成分为A165~ 70wt%、Y30~35wt%组成；所述扩散层成分为A1 38~60wt%、Y0.3~27wt%、Til3~ 61wt% 〇
[0007] 进一步地，所述A1-Y梯度防护合金涂层厚度为40~60μnu
[0008] 本发明还采用如下技术方案：一种γ-TiAl合金表面耐高温氧化的A1-Y梯度防护 合金涂层的制备方法，其包括如下步骤：
[0009] (1)熔铝：将工业纯铝锭加入石墨坩埚中，置于700~800°C加热环境内，恒温保温 30min，同时除去熔融铝液表面的氧化物；
[0010] (2)熔钇：将钇块加入加料器中，然后加入石墨坩埚中，置于700~800°C加热环境 内，恒温保温30min，同时除去熔融钇液表面的氧化物；
[0011] (3)混合熔融液：将熔融态的铝液和钇液倒入同一石墨坩埚中，不断搅拌混合液， 使A1和Y进行合金化反应，成为合金化熔液
[0012]合金化反应：A1+Y-A1Y;
[0013] (4)制备靶材：将混合A1Y合金溶液静置30min，然后逐渐降温至680~700°C后， 将恪融合金液倒入模具内，饶注成Φ100X3mm的圆形祀材；
[0014] (5)基体材料预处理：准备γ-TiAl合金，在金相砂纸上逐级打磨、绒布抛光至无 划痕的理想抛光面后，置于酒精中加以超声清洗；
[0015] (6)预热、净化处理：将A1-Y合金靶材和γ-TiAl合金置于炉膛，调节靶材与 γ-TiAl合金之间距离15-20_，首先将炉膛内真空抽至10 4Pa，通入氩气，使炉膛内压强保 持在0. 3-0. 5Pa，对A1-Y合金靶材施以偏压，处理时间保证在10-20min，对γ-TiAl合金进 行离子蚀刻与清洗，净化表面；
[0016] (7)磁控溅射A1-Y合金涂层：将A1-Y合金靶材和γ-TiAl合金之间距离控制在 15~25mm，炉膛内压强控制在0. 3~0. 5Pa，靶材功率控制在150~300W，制备时间控制在 3~5h，从而得到A1-Y合金涂层；
[0017] (8)真空扩散退火：将制得的A1-Y合金涂层材料置于真空气氛炉中进行真空扩散 退火处理，处理温度控制在600~800°C，保温时间控制在2~3h，随后随炉冷却。
[0018] 本发明具有如下有益效果：与【背景技术】所述的其他改性铝化物涂层相比，本发明 制得的A1-Y梯度防护合金涂层由于添加稀土元素Y和扩散退火处理，获得颗粒细小，分布 均匀，且形成外表层为A1和A1J，成分与γ-TiAl合金形成连续的梯度变化，结合性能良 好，在650~850°C下抗高温氧化能力增强。而制备A1-Y合金涂层的工艺简单、效率高和可 重复性强等特点。
【附图说明】：
[0019] 图1为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层表面放大500倍的SEM图。
[0020] 图2为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层表面放大5000倍的SEM图。
[0021] 图3为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层截面放大1000倍的SEM图。
[0022] 图4为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层截面元素分布EDS图谱。
[0023] 图5为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层表面XRD图谱。
[0024] 图6为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层650°C循环氧化100h后表面SEM图。
[0025] 图7为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层750°C循环氧化100h后表面SEM图。
[0026] 图8为本发明制得的A1-Y梯度防护合金涂层850°C循环氧化100h后表面SEM图。
【具体实施方式】：
[0027]本发明γ-TiAl合金表面耐高温氧化的A1-Y梯度防护合金涂层由表及里依次包 括沉积层、扩散层、基体层三部分，其中沉积层成分为A1 65~70wt%、Y30~35wt%组 成；扩散层成分为A1 38~60wt%、Y0.3~27wt%、Ti13~61wt%，成分呈梯度变化，A1 和Y含量缓慢下降，Ti含量缓慢上升，且元素成分不存在突变现象，说明Al-γ合金涂层与γ-TiAl(Ti-23. 9A1-2. 4Cr-0. 9Nb)合金实现冶金结合，结合性能良好；A1-Y梯度防护合金 涂层厚度为40~60μm。
[0028] 本发明γ-TiAl合金表面耐高温氧化的A1-Y梯度防护合金涂层的制备方法，其采 用磁控溅射方法均匀的在γ-TiAl合金表面溅射A1和Y离子，具体步骤如下：
[0029] (1)熔铝：将工业纯铝锭加入石墨坩埚中，置于700~800°C加热环境内，恒温保温 30min，同时除去熔融铝液表面的氧化物；
[0030] (2)熔钇：将钇块加入加料器中，然后加入石墨坩埚中，置于700~800°C加热环境 内，恒温保温30min，同时除去熔融钇液表面的氧化物；
[0031] (3)混合熔融液：将熔融态的铝液和钇液倒入同一石墨坩埚中，不断搅拌混合液， 使A1和Y进行合金化反应，成为合金化熔液
[0032]合金化反应：A1+Y-A1Y;
[0033] (4)制备靶材：将混合A1Y合金溶液静置30min，然后逐渐降温至680~700°C后， 将恪融合金液倒入模具内，饶注成Φ100X3mm的圆形祀材；
[0034] (5)基体材料预处理：准备γ-TiAl合金，在金相砂纸上逐级打磨、绒布抛光至无 划痕的理想抛光面后，置于酒精中加以超声清洗；
[0035] (6)预热、净化处理：将A1-Y合金革E材和γ-TiAl合金置于炉膛，调节革E材与 γ-TiAl合金之间距离15-20mm。首先将炉膛内真空抽至10 4Pa，通入氩气，使炉膛内压强 保持在〇. 3-0. 5Pa。对A1-Y合金靶材施以偏压，处理时间保证在10-20min，对γ-TiAl合 金进行离子蚀刻与清洗，净化表面；
[0036] (7)磁控溅射A1-Y合金涂层：将A1-Y合金靶材和γ-TiAl合金之间距离控制在 15~25mm，炉膛内压强控制在0. 3~0. 5Pa，靶材功率