γ-TiAl合金表面电子束复合等离子合金化处理方法技术

本发明专利技术公开了一种γ‑TiAl合金表面电子束复合等离子Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金化处理方法。本发明专利技术的处理方法包括以下步骤：(a)靶材为Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15～20wt％Co，15～20wt％Cr，5～10wt％Al，2～4wt％Si，0～0.5wt％Pt，0～0.5wt％Y以及余量Ni，基体材料为γ‑TiAl合金；(b)在γ‑TiAl合金表面进行电子束预处理；(c)在γ‑TiAl合金表面进行双层辉光等离子Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金化，制备Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金层。本发明专利技术通过电子束预处理工艺对基体预处理，使双层辉光等离子表面合金化的工艺温度降低约200～250℃，同时所制备的Ni‑Co‑Cr‑Al‑Si‑Pt‑Y合金层中，元素的扩散深度显著增加，比较直接进行双层辉光等离子表面合金化的合金扩散层，厚度从3～5μm增加到7～9μm。

Surface treatment of \u03b3 - TiAl Alloy by electron beam composite plasma alloying

【技术实现步骤摘要】
γ-TiAl合金表面电子束复合等离子合金化处理方法
本专利技术涉及一种合金材料表面处理方法，特别涉及一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法。
技术介绍
TiAl基合金具有低密度、高弹性模量、高的比强度和抗蠕变性，使得其作为结构材料在航天、航空、化工、汽车等领域有广泛的应用前景，然而TiAl基合金性能上存在的如室温脆性等缺陷，限制了其更广泛的应用。目前已通过细化晶粒，添加合金元素使其形成(γ+α2)双相合金，已基本达到实际应用对室温力学性能的要求，但TiAl基合金在高温下抗氧化性能不足仍然是限制其应用的突出问题。TiAl基合金抗氧化性能差是由于TiO2和Al2O3的形成自由能较近，TiO2的形成速度快于Al2O3的形成速度，TiO2氧化膜呈疏松层状结构，因此TiAl基合金表面在高温下不能形成完整而致密的保护性氧化膜，限制了其在更高温度下的应用。由于TiAl基合金表面抗高温氧化性不能满足使用要求，为了提高TiAl基合金的抗高温抗氧化性，有必要对TiAl基合金表面进行合适的处理。近些年，越来越多的表面改性技术的兴起，为TiAl基合金表面改性处理提供了许多思路和处理途径，而提高TiAl基合金表面抗高温氧化性的关键就是在合金表面形成保护性的氧化膜，因此提高TiAl基合金抗高温氧化能力的途径主要有三种，整体合金化、表面改性和高温涂层，但整体合金化对合金整体性能影响较大。表面改性方法包括离子注入技术、双层辉光等离子合金化技术和物理气相沉积技术等，通过对合金表面合金化处理，来得到更好的表面性能。高温涂层包括陶瓷类涂层，热障涂层(TBCs)和合金类MCrAlY系涂层等，在合金表面制备防护涂层，可以有效地提高合金表面的抗高温氧化性能。合金类MCrAlY系涂层(M为Fe，Ni，Co或Ni+Co)是常见的高温防护涂层和热障涂层的粘结层，具有良好的高温抗氧化性能，抗热腐蚀性，塑性和粘附性，其在高温防护领域内的应用很广，常见的合金体系有FeCrAlY、NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY等。NiCoCrAlY合金层作粘结层，其的高温防护综合性能较好且不会与表面陶瓷层YSZ发生化学反应，因此成为首选制备高温防护涂层和热障涂层金属粘结层的合金体系，Ni+Co是合金层的基本元素，降低互扩散系数，以减小合金层与基体间的互扩散。Co具有优良的抗热腐蚀性能，保证了合金层在高温条件下具有优良的综合抗腐蚀性能。对于Ni-Cr-Al三元系，Cr元素起第三元素作用，可降低Al2O3膜形成所需要的临界Al含量，同时在氧分压不太高的情况下，Cr2O3膜具有很好的抗高温热腐蚀和氧化性能，能对基体材料提供的保护。Al用于提供合金层的抗氧化性，适量的铝能保证Al2O3的形成，但Al含量过高通常会使合金层变脆，易于生成裂纹。适量的稀土元素Y可以细化晶粒，改善合金层的力学性能涂层，氧化时富Y相在膜基界面处偏聚对氧化膜起钉扎作用改善氧化膜与基体的结合力，同时改善合金层的抗震性，降低氧化铬的生长速率。目前，有许多国内专家学者在添加活性元素来改善NiCoCrAlY合金层防护性能方面发现添加一定量的Hf、Ta、Re等能够进一步改善NiCoCrAlY合金层的氧化行为，从而表明在改善NiCoCrAlY合金层防护性能方面这些活性元素与稀土Y具有很好的协同作用。合金层中加入Si，可以形成Si的氧化物SiO2，SiO2比Cr2O3在高温下有更好的保护性，并且在高于1000℃时Cr2O3容易变为CrO3挥发,Si能够稳定β-NiAl相，同时还可能阻碍亚稳态的Al2O3的形成。ClemensD等人在《TEMandSNMSstudiesofprotectivealuminascalesonNiCrAlY-alloys》中提到，等温氧化时，Si对氧化生长速率影响不大；在循环氧化时，添加1-2wt.％的Si可以推迟氧化层发生剥落的时间。YangYingfei等人在《ModificationofNiCoCrAlYwithPt:PartI.EffectofPtdepositinglocationandcyclicoxidationperformance》中提到，Pt在高温下能够有效抑制涂层与基体间的相互扩散，尤其是高温合金中的难熔金属元素；同时有研究表明在含铝涂层中存在Pt，可以增强了高温暴露时涂层基体上形成的氧化铝氧化铁皮的附着力，从而提高了其抗氧化性。目前，制备MCrAlY合金层已经成熟的技术有等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积技术。但是，这两种制备技术也存在一些不足，如：等离子喷涂技术制备的合金层中，存在较多的疏松与孔洞以及片层结构界面，均可能成为氧、硫等侵入的通道以及合金层失效的裂纹源；而电子束物理气相沉积技术，存在沉积速率较低、设备造价昂贵、受元素蒸汽压的影响，合金层的成分控制较困难、基体零件需要加热且试样尺寸不能太大等不足。随着表面工程技术的发展，许多新型合金层制备技术被应用到MCrAlY合金层的制备中，有双层辉光等离子合金化技术、超音速火焰喷涂技术、激光熔覆技术和电子束重熔技术等，其中双层辉光等离子合金化技术相对于其它制备技术，由于在许多方面具有突出的优势，使之成为具代表性的新型MCrAlY合金层制备技术。周鹏在其硕士论文《TiAl基合金双辉等离子渗NiCoCrAlY工艺及其性能研究》中提到，在TiAl基合金表面通过双层辉光等离子合金化技术制备的NiCoCrAlY合金层表现出良好的耐磨性和抗高温氧化性能，但同时他发现双层辉光等离子合金化工艺温度高导致基体晶粒粗大，性能降低和合金层与基体结合力较差的问题。双层辉光等离子表面合金化技术是在真空密封容器内，以金属炉壳为阳极，另设置两个阴极，其一为源极，放置靶材；另一阴极为工件极，放置预处理工件，在源极和阳极之间以及工件与阳极之间各设一个独立可控的电源。将真空室抽真空后，充入一定的氩气，接通电源，便会在阳极与源极以及阳极与工件极之间产生两组辉光放电现象，此即为双层辉光放电。利用辉光放电所产生的氩离子轰击源极，将靶材中的金属元素从源极表面轰击出来，并通过空间运输高速到达工件表面。与此同时，氩离子对工件表面的轰击使工件加热升温，工件表面的高温状态易于源极溅射出的离子扩散渗入形成表面冶金结合的合金层。但双层辉光等离子表面合金化的高工艺温度对基体有很大的损伤，双层辉光等离子表面合金化方法的工艺温度较高会引起TiAl基合金基体晶粒回复再结晶，在基体内部会形成粗大晶粒，对基体性能有一定的影响。王锦在其硕士论文《TC4钛合金超声冲击表面纳米化及高温退火组织与性能研究》中提到，工艺温度达到800℃以上，钛合金基体发生回复再结晶，导致晶粒粗大，显微硬度和热稳定性都有所降低。由于双层辉光等离子表面合金化工艺温度较高，对TiAl基合金性能影响较大，且制备MCrAlY系合金扩散层厚度小，与基体结合力差，所以需要其工艺温度进行优化。表面预处理工艺可改变表面结构，对后续表面改性工艺的参数选择提供很大的选择空间。近些年，激光束、离子束和电子束处理技术(简称“三束”)作为新兴的表面预处理工艺，已得到了广泛的应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(a)靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15～20wt％Co，15～20wt％Cr，5～10wt％Al，2～4wt％Si，0～0.5wt％Pt，0～0.5wt％Y以及余量Ni；/n(b)在γ-TiAl合金表面进行电子束预处理；/n(c)在γ-TiAl合金表面进行双层辉光等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化，制备Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层。/n

【技术特征摘要】
1.一种γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)靶材为Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y靶材，靶材中各成分的质量百分比为15～20wt％Co，15～20wt％Cr，5～10wt％Al，2～4wt％Si，0～0.5wt％Pt，0～0.5wt％Y以及余量Ni；
(b)在γ-TiAl合金表面进行电子束预处理；
(c)在γ-TiAl合金表面进行双层辉光等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化，制备Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金层。


2.根据权利要求1所述的γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，步骤(b)中，所述电子束预处理包括以下步骤：
(1a)腔室真空度至9.0×10-3～2.1×10-2Pa，电子枪室真空度至1.6～7.0×10-3Pa；
(1b)加速电压50～70kV，电子束电流5～13mA，聚焦电流400～600mA，下束时间5～10s；
(1c)电子束采用正弦波动轨迹扫描，分两次扫描，第一次低功率低频扫描，第二次高功率高频扫描。


3.根据权利要求2所述的γ-TiAl合金表面电子束复合等离子Ni-Co-Cr-Al-Si-Pt-Y合金化处理方法，其特征在于，步骤(1c)中，正弦波轨迹扫描是通过对载物盘的X轴与Y轴设定来控制，电子束沿X轴方向移动，试样沿Y轴方向移动，正弦波幅值50mm，频率500Hz。

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【专利技术属性】
技术研发人员：魏东博，周旭，张平则，李逢昆，梁宏璇，李淑琴，姚正军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32