一种铬改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法

本发明涉及钛合金表面涂层改性领域，通过加入铬元素，对传统铝基涂层进行改性及制备一种原位自生ti-al-si梯度涂层。

背景技术：

高温钛合金及钛铝金属间化合物的使用温度可达600~1000℃。但是由于钛的溶氧度较高，在高温氧化条件下很容易发生溶氧致脆和表面氧化问题，进而严重影响钛合金的热稳定性和使用寿命。因此，提高钛合金的高温抗氧化性能成为扩大其应用范围的关键。

合金化可改变钛合金的成分和组织，从而能改善其表面氧化膜的形态，改善其在高温下的抗氧化性能。然而,合金化只能在一定程度上提高钛合金的抗氧化性能。一方面，随氧化时间和温度的增加，其保护能力会显著下降。一旦氧化膜薄弱处出现缺口，氧元素进入钛合金基体形成钛的氧化膜，降低与基体之间的结合强度，并导致氧化膜从基体剥落。其次，有序相和脆性层在基体表面形成，导致晶格畸变并降低基体的机械性能。另一方面，当少量添加抗氧化合金元素时，其抗氧化效果并不明显，而大量添加又会导致合金机械性能下降。因此，合金化并不是提高钛合金高温抗氧化性能的理想方法。为了长时间有效地对钛合金进行高温防护，施加合适的高温防护涂层是目前唯一的选择。

传统的钛表面高温防护涂层常用热扩散渗铝来制备。对钛合金进行高温扩散渗铝,能在钛合金表面形成富含tial3的涂层，而在所有的ti-al系金属间化合物中，只有tial3能够在氧化过程中形成al2o3膜，这正是其抗氧化的关键成分。但是传统的铝基涂层脆性大，易出现横向裂纹，实际使用性能并不高。研究表明,加入si元素可有效减少涂层中裂纹数量，且al-si层脆性小，与基体结合较紧密不易脱落。

为进一步改善渗铝涂层的高温性能，可进行二元共渗。查阅资料可得，cr改性的渗铝涂层可在钛合金表面形成具有塑性l12晶体结构的三元ti-al-cr相，避免了单元渗铝过程中形成的脆性tial3相，从而展现出了优异的抗循环氧化性能。nishimoto和narita等在ti-al合金表面采用两步法先渗cr而后渗al，经过高温扩散形成了ti-al-cr涂层，氧化过程中涂层表面形成了保护性的α-al2o3膜，显著提高了基体合金的抗氧化能力。

技术实现要素：

本发明采用原位自生成分梯度热浸渗的方法，目的在于增加ti-al-si梯度涂层中致密层厚度，使τ2:ti(al,si)2相由块状转变成岛状，减少裂纹源；降低其氧化速率，提高涂层的抗高温氧化性能。

本发明提供一种铬改性钛及钛合金原位自生ti-al-si梯度涂层及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金表面除油清洗，晾干；

步骤二、在高纯铝液中熔入al-cr中间合金，配置al-cr热浸渗熔液；

步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铬改性ti-al-si梯度涂层，将步骤二的al-cr热浸渗熔液倒入高纯石英器皿中，保持高温熔体状态，将钛或钛合金浸入al-cr热浸渗熔液，浸渗一定时间，迅速抽出，水淬，在表面形成具有ti(al,si)3的铬改性ti-al-si梯度涂层；

步骤四、将带有铬改性ti-al-si梯度涂层的钛或钛合金放入高温炉进行预氧化，最终形成具有致密连续的tial合金层、高断裂韧性ti(al,si)3层、致密含sio2颗粒的α-al2o3层的铬改性ti-al-si梯度涂层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、采用原位自生成分梯度热浸渗法，在工件表面得到铬改性的原位自生ti-al-si梯度涂层，使τ2:ti(al,si)2相由块状转变成岛状，减少裂纹源，增加ti(al,si)3这一关键成分，从而提高了涂层的抗高温氧化性能。

2、通过控制原位自生成分梯度热浸渗时间，可在工件表面根据实际情况得到所需涂层厚度。在实际使用时灵活性高，且便于操作。

3、本发明步骤简便，得到的涂层在高温下抗氧化性能良好并与基体结合紧密，为钛合金在高温工作环境中提供了一种新型有效的防护方法。

附图说明

图1为本发明的铬改性钛及钛合金原位自生ti-al-si梯度涂层的制备流程图。

图2为不含铬ti-al-si梯度涂层的显微组织形貌图。

图3为铬改性ti-al-si梯度涂层的显微组织形貌图。

具体实施方式

从图1可看出，通过原位自生成分梯度热浸渗法，加入改性元素cr，在钛合金表面制备了铬改性原位自生ti-al-si梯度涂层。

实例一

步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金表面除油清洗，晾干；

步骤二、在高纯铝液中熔入al-cr中间合金，配置al-cr热浸渗熔液；所述添加铬的重量百分含量为3wt.%。

步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铬改性ti-al-si梯度涂层，将步骤二的al-cr热浸渗熔液倒入高纯石英器皿中，保持高温熔体状态，将钛或钛合金浸入al-cr热浸渗熔液，浸渗一定时间，迅速抽出，水淬，在表面形成具有ti(al,si)3和al-si-cr合金层的铬改性ti-al-si梯度涂层；所述热浸渗温度为950℃，热浸渗时间为20分钟。

步骤四、将带有铬改性ti-al-si梯度涂层的钛或钛合金放入高温炉进行预氧化，最终形成具有致密连续的tial合金层、高断裂韧性ti(al,si)3层、致密含sio2颗粒的α-al2o3层的铬改性ti-al-si梯度涂层；所述预氧化温度为800℃，预氧化时间为30分钟，tial合金层平均厚度为5.1微米，ti(al,si)3合金层平均厚度为19.4微米，含sio2颗粒的α-al2o3层平均厚度为22.5微米。

实例二

步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金表面除油清洗，晾干；

步骤二、在高纯铝液中熔入al-cr中间合金，配置al-cr热浸渗熔液；所述添加铬的重量百分含量为3wt.%。

步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铬改性ti-al-si梯度涂层，将步骤二的al-cr热浸渗熔液倒入高纯石英器皿中，保持高温熔体状态，将钛或钛合金浸入al-cr热浸渗熔液，浸渗一定时间，迅速抽出，水淬，在表面形成具有ti(al,si)3和al-si-cr合金层的铬改性ti-al-si梯度涂层；所述热浸渗温度为950℃，热浸渗时间为30分钟。

步骤四、将带有铬改性ti-al-si梯度涂层的钛或钛合金放入高温炉进行预氧化，最终形成具有致密连续的tial合金层、高断裂韧性ti(al,si)3层、致密含sio2颗粒的α-al2o3层的铬改性ti-al-si梯度涂层；所述预氧化温度为800℃，预氧化时间为40分钟，tial合金层平均厚度为4.8微米，ti(al,si)3合金层平均厚度为19.9微米，含sio2颗粒的α-al2o3层平均厚度为28.5微米。

实例三

步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金表面除油清洗，晾干；

步骤二、在高纯铝液中熔入al-cr中间合金，配置al-cr热浸渗熔液；所述添加铬的重量百分含量为3wt.%。

步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铬改性ti-al-si梯度涂层，将步骤二的al-cr热浸渗熔液倒入高纯石英器皿中，保持高温熔体状态，将钛或钛合金浸入al-cr热浸渗熔液，浸渗一定时间，迅速抽出，水淬，在表面形成具有ti(al,si)3和al-si-cr合金层的铬改性ti-al-si梯度涂层；所述热浸渗温度为950℃，热浸渗时间为40分钟。

步骤四、将带有铬改性ti-al-si梯度涂层的钛或钛合金放入高温炉进行预氧化，最终形成具有致密连续的tial合金层、高断裂韧性ti(al,si)3层、致密含sio2颗粒的α-al2o3层的铬改性ti-al-si梯度涂层；所述预氧化温度为800℃，预氧化时间为40分钟，tial合金层平均厚度为5.7微米，ti(al,si)3合金层平均厚度为16.5微米，含sio2颗粒的α-al2o3层平均厚度为21.3微米。