专利名称：一种氧化铝强化高温防护涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及高温防护涂层制备技术，具体为一种氧化铝强化高温防护涂层，以及 采用冷喷涂制备氧化铝强化高温防护涂层(TiAl3复合防护涂层)的方法。
背景技术：
冷喷涂是近年才发展起来的一门新兴表面处理技术，与传统的热喷涂不同，它 是在低温状态下，通过高速粉末颗粒撞击基体时的塑性变形与冷焊所形成的涂层，特别 适合对热和氧化敏感的粉末和基材涂层制备。参见文献[l]A.Papyrin，Cold spray technology, Adv. Mater. Proc. ,2001,160(3), ρ 49-51 ； [2]Τ. Stoltenhoff, H. Kreye, H. Richter, An analysis of the cold spray process and its coatings, J. Therm. SprayTechno. ,2002,11 (4), ρ 542-55 ； [3]M.F.Smith, Comparing cold spray with thermal spray coating technologies in the cold spray materials deposition process 2007, V. K. Champagne, ed. , WP, Cambridge, England, 2007, ρ 43-61。同时，冷喷涂粉末成分可以随意调配，如在可塑性变形的金属粉末中添加氧化铝 陶瓷粉末，可以大大加强金属涂层的性能。采用氧化铝陶瓷强化的Al涂层，喷涂到镁合金 基体上，不但改善了基材的耐腐蚀性能，同时使涂层更加致密，增加了基体的耐磨损性能， 参见文献[4] Y. S. Tao, Τ. Y. Xiong, C. Sun，et al. Effect of α -Al2O3 on the properties of cold sprayed Al/α -Al2O3 composite coatings on AZ91Dmagnesium alloy, Appl. Surf. Sci.，2009，In press。TiAl3是一种很好的高温防护涂层，采用冷喷涂能够将纯金属粉末喷涂到基材上 形成这种涂层，效果良好。参见文献[5]Kim，D. Park, I.Kim, H Kim, K Park, Effect of Aluminising on High Temperature Oxidation Resistance of TiAl Compounds. Mater. Sci. Technol. ，14(1998)822. ； [6]Ζ. D. Xiang, S. R. Rose, P. K. Datta, Packformatin and long term oxidation kinetics of TiAl3 coating on r-TiAl, Mater. Sci. Technol., 2005,21, ρ 1111-1118 ； [7]L. Shen, L. Y. Kong, T. Y. Xiong, H. Du, T. F. Li, Preparation of TiAl-Al composite coating by cold spraying, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2009，19,879-882。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护层及其制备方法。该 涂层成分为氧化铝-TiAl3复合涂层，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能；制备方法采 用冷喷涂法，操作简便，成分容易控制，形成涂层质量好。本发明的技术方案是—种氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护涂层的制备方法，将氧化铝粉末、纯钛粉、铝 粉按摩尔比(1 3) 1 (1 5)机械混合均勻后，用冷喷涂设备直接喷到基材上，随后 经过热处理，制备出主要成分为氧化铝-TiAl3的复合涂层。该涂层孔隙率低，与基材相容性好，结合力强，抗高温氧化性能良好。所述涂层成分为氧化铝-TiAl3中，氧化铝占18 70wt %，TiAl3占30 82wt %， 氧化铝均勻分布，TiAl3成金属间化合物，涂层孔隙率为1 2%。所述氧化铝(Al2O3)颗粒形状采用球形、长方形或无规则形状均可。所述氧化铝粉末的粒度为5 50 μ m，纯钛粉的粒度为5 50 μ m，纯铝粉的粒度 为5 50 μ m。所述冷喷涂的操作条件为气体采用压缩空气或压缩氮气或氦气，气体温度 100 300°C，气体压力1. OMPa 3. OMPa,喷涂距离5 50mm，气体流量10 30g/s，涂层 厚度 100 1500 μ m。所述热处理的操作条件为温度400 700°C，保温4 48h，随炉冷却。本发明中，高温防护涂层可应用到钛合金、不锈钢或陶瓷基体等的防护。本发明中，冷喷涂用的设备采用中国发明专利申请，发明名称冷气动力喷涂装 置，公开号 CN1403210A，
公开日
2003-03-19。本发明中，机械混合用的设备采用常规球磨机。本发明的有益效果是1、本发明设计的涂层具有很好的抗高温防护效果，适于在950°C以下的高温防护。2、本发明涂层采用冷喷涂方法制备，原料采用氧化铝颗粒、纯金属粉末，机械混合 后，冷喷到基材上，然后经过热处理，制备出目标涂层。涂层成分容易控制，操作简便，易于 控制。3、本发明采用冷喷涂方法制备涂层，对基材没有影响，特别适合对热敏感的材料 的涂层制备。4、本发明效率高、成本较低。
图1为本发明冷喷涂制备Al203/TiAl3复合涂层截面形貌图。图2为本发明涂层抗高温防护效果曲线。
具体实施例方式实施例1首先，将粒度为5-25 μ m的氧化铝颗粒、纯钛粉和铝粉按摩尔比1 1 3机械混 合 48h ；然后，用冷喷涂设备在Ti_22AH6Nb基体沉积涂层，冷喷涂的操作条件气体采用压缩空气，气体温度250°C，气体压力1. 8MPa，喷涂距离30mm，气体流量 15g/s，涂层厚度200 μ m。随后，在630°C保温5h，随炉冷却，制备了 TiAl3Al2O3复合涂层。如图1所示，涂层由TiAl3Al2O3共同构成，氧化铝占^wt%，TiAl3占74wt%，氧 化铝均勻分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为2%。涂层与合金基体之间有10 μ m厚的 (Ti，Nb)Al3互扩散层，涂层在950°C表现出较好的抗高温氧化性能。如图2所示，氧化IOOOh 后，施加涂层的基材防护效果十分明显。
实施例2.首先，将粒度均为10-50 μ m的氧化铝、纯钛粉和铝粉按摩尔比1 1 3比例机 械混合48h ；然后，用冷喷涂设备在不锈钢(ICrlSNiOTi)上沉积涂层，冷喷涂的操作条件气体采用压缩空气，气体温度100°C，气体压力3. OMPa，喷涂距离35mm，气体流量 30g/s，涂层厚度300 μ m。随后，在550°C保温15h，随炉冷却，制备了 TiAl3Al2O3复合涂层。本实施例中，涂层由TiAl3Al2O3共同构成，氧化铝占^wt%，TiAl3占，氧 化铝均勻分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为1%。涂层与合金基体之间表现出较好的 抗高温氧化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。实施例3.首先，将粒度均为15-35 μ m的氧化铝、纯钛粉和铝粉按摩尔比2 1 3比例机 械混合48h ；然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体(PTC)沉积涂层，冷喷涂的操作条件气体采用压缩空气，气体温度220°C，气体压力2. 7MPa，喷涂距离15mm，气体流量 28g/s，涂层厚度IOOym ；随后，随后在500°C保温20h，随炉冷却，制备了 TiAl3Al2O3复合涂层。本实施例中，涂层由TiAl3Al2O3共同构成，氧化铝占41wt%，TiAl3占59wt%，氧 化铝均勻分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为1%。涂层与基体之间有较好的抗高温氧 化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。实施例4.首先，将粒度均为10-25 μ m的氧化铝、纯钛粉、铝粉按摩尔比3 1 3比例机械 混合48h ；然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体(PTC)沉积涂层，冷喷涂的操作条件气体采用压缩空气，气体温度300°C，气体压力1. OMPa，喷涂距离30mm，气体流量 15g/s，涂层厚度150ym；随后，在600°C保温8h，随炉冷却，制备了 TiAl3Al2O3复合涂层。本实施例中，涂层由TiAl3Al2O3共同构成，氧化铝占5Iwt%，TiAl3占49wt%，氧 化铝均勻分布，TiAl3成金属间化合物，孔隙率为2%。涂层与基体之间有较好的抗高温氧 化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。实施例5.首先，将粒度均为20-50 μ m的氧化铝、纯钛粉、铝粉按摩尔比3 1 5比例机械 混合48h ；然后，用冷喷涂设备在陶瓷基体(PTC)沉积涂层，冷喷涂的操作条件气体采用压缩空气，气体温度240°C，气体压力1. 8MPa，喷涂距离40mm，气体流量 20g/s，涂层厚度200 μ m ；随后，在700°C保温4h，随炉冷却，制备了 TiAl3Al2O3复合涂层。本实施例中，涂层 由TiAl3Al2O3共同构成，氧化铝占40wt %，TiAl3占60wt %，氧化铝均勻分布，TiAl3成金属 间化合物，孔隙率为1%。涂层与合金基体之间有较好的抗高温氧化性能。实验结果表明，涂层防护效果十分明显。 结果表明，本发明采用氧化铝、Al、Ti为原料，按一定比例机械混合后，直接喷涂 到基体上形成复合涂层，随后通过反应扩散方法形成氧化铝颗粒弥散强化金属间化合物涂 层。这种方法操作方便，易于控制。涂层更加致密，耐高温氧化性能良好。
权利要求
1.一种氧化铝强化高温防护涂层，其特征在于，涂层成分为氧化铝-TiAl3中，氧化铝占 18 70wt%，TiAl3占30 82wt%，氧化铝均勻分布，TiAl3形成金属间化合物。
2.按照权利要求1所述的氧化铝强化高温防护涂层，其特征在于，涂层孔隙率为1 2 % ο
3.按照权利要求1所述的氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护涂层的制备方法，其特征在 于，将氧化铝粉末、纯钛粉、铝粉按摩尔比1 3 1 1 5机械混合均勻后，用冷喷涂设 备直接喷到基材上，随后经过热处理，制备出主要成分为氧化铝-TiAl3的复合涂层。
4.按照权利要求3所述的氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护涂层的制备方法，其特征在 于，所述氧化铝粉末的粒度为5 50 μ m，纯钛粉的粒度为5 50 μ m，纯铝粉的粒度为5 50 μ m0
5.按照权利要求3所述的氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护涂层的制备方法，其特征 在于，所述冷喷涂的操作条件为气体采用压缩空气或压缩氮气或氦气，气体温度100 300°C，气体压力1. OMPa 3. OMPa,喷涂距离5 50mm，气体流量10 30g/s，涂层厚度 100 1500 μ m。
6.按照权利要求3所述的氧化铝颗粒强化TiAl3高温防护涂层的制备方法，其特征在 于，所述热处理的操作条件为温度400 700°C，保温4 4 后，随炉冷却。
全文摘要
本发明涉及高温防护涂层制备技术，具体为一种氧化铝强化高温防护涂层，以及采用冷喷涂制备氧化铝强化高温防护涂层(TiAl3复合防护涂层)的方法。将氧化铝粉末、纯钛粉、铝粉按摩尔比(1∶1∶1)～(3∶1∶5)机械混合均匀后，用冷喷涂设备直接喷到基材上，随后经过热处理，制备出主要成分为氧化铝-TiAl3的复合涂层。本发明所获涂层主要成分为氧化铝-TiAl3，其孔隙率低，与基材相容性好，结合力强，具有较好的抗高温氧化和环境脆化性能。本发明制备方法采用冷喷涂法，操作简便，成分容易控制，形成涂层质量好。
文档编号C23C24/04GK102134714SQ201010101620
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者刘玉亮, 吴杰, 孔令艳, 崔新宇, 李铁藩, 杨婧, 沈莉, 熊天英 申请人:中国科学院金属研究所