一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti‑Al‑Si梯度涂层及其制备方法。该方法包括：一、对钛或钛合金表面除油清洗；二、配置Al‑Ce合金热浸渗熔液；三、采用自生梯度热浸渗法在钛或钛合金表面形成具有Ti(Al,Si)

【技术实现步骤摘要】
一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法说明书一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法。
本专利技术设计涂层改性领域，特别是加入稀土元素铈，对硅改性涂层进一步进行改性研究及其制备方法。
技术介绍
由于其高比强度、低密度、抗腐蚀性好、成型性好、焊接性能优良和可加工性能高，在航空领域钛合金被广泛应用于发动机领域。为了在高温高压的环境下长时间安全工作，钛及其合金被要求有良好的抗氧化能力。然而，钛及其合金的高温抗氧化能力较差，由于这一缺点，限制了钛合金零件在高温环境下的应用。高温下，氧元素进入钛合金基体形成氧化钛薄膜。随着氧原子在基体中扩散，这一氧化层将会增加，导致氧化膜从衬底上脱落。更糟糕的是，在衬底表面形成的有序相和脆性层会导致晶格畸变，降低衬底的力学性能。Ti-Al系统中的中间参物主要是Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3，这些物质中只有TiAl3可以在空气中生成致密的Al2O3抗氧化保护层。这种富TiAl3涂层可以通过高温扩散铝技术在钛合金表面制备。同时在镀层中添加稀土元素铈也可以起到良好的效果。热浸镀层表观状况对镀层质量影响很大，它直接影响到其耐蚀性能、加工性能和涂覆性能。未加铈元素的合金镀层常常是不平整的，影响了镀层产品耐蚀性。加入稀土(La+Ce)后，由于稀土铈具有突出的化学活性和很强的亲和力，使熔融镀液粘度大为降低，并使镀液中的杂质得到净化，从而改善了对钢基的浸润性。这时可以得到光亮平整的镀层，表面耐蚀性、成形性大大提高和改善。从结晶动力学考虑，铈元素可降低镀液的表面张力，也就降低了形成临界尺寸晶核所需要的功，使结晶核心增加组织细化。对涂层进行预氧化处理，TiAl3可与基体和氧气反应，迅速变薄生成Ti-Al化合物以及α-Al2O3，其中外层的α-Al2O3对内部具有良好的保护作用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种钛或钛合金表面涂层的改性方法。在原有的Si改性涂层的制备基础上，添加铈元素，对涂层进一步改性。该方法采用原位自生铝硅梯度热浸镀的方法，使铈原子固溶到铝硅梯度涂层中，提高了涂层的保护性。利用稀土元素的活性效果，促进Ti(Al,Si)3相层的生长，增强了工件的使用性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：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-Ce中间合金，配置Al-Ce热浸渗熔液；步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铈改性Ti-Al-Si梯度涂层，将步骤二的Al-Ce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-Ce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的铈改性Ti-Al-Si梯度涂层；步骤四、将带有铈改性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层的铈改性Ti-Al-Si梯度涂层。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、通过在热浸镀熔融铝液中加入铈元素，对涂层进行改性。使涂层更加致密，与工件基体结合程度更好，保护性能更加优良。2、添加铈元素后，利用铈元素的活性，可以抑制硅毒性，防止生成粗大晶粒，提高硅元素的促进作用，使硅改性更加充分。3、通过控制热浸镀时间，可以更好的控制涂层的厚度，更好的控制涂层的致密性，以获得性能最优良的镀层，避免能量和能量的消耗。4、本专利技术的方法简便且易于实现，可有效推广适用至对钛或钛合金有耐磨、耐蚀、抗氧化等综合性能高要求的领域。附图说明图1为本专利技术的铈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为本专利技术中热浸镀时间为30min的未经预氧化电镜图片。图3为本专利技术中热浸镀时间为40min的未经预氧化电镜图片。图4为本专利技术中热浸镀时间为50min的未经预氧化电镜图片。具体实施方式图1为本专利技术的铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层的技术原理示意图，图中可以看出，根据实际的使用需求，对所叙述的稀土铈改性铝硅梯度涂层的热浸镀时间进行各种设计，通过控制热浸镀时间来控制铝硅合金液中的涂层致密性以及相层的厚度。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-Ce中间合金，配置Al-Ce热浸渗熔液；所述添加铈的重量百分含量为1wt.%。步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铈改性Ti-Al-Si梯度涂层，将步骤二的Al-Ce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-Ce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-Ce合金层的铈改性Ti-Al-Si梯度涂层；所述热浸渗温度为800℃，热浸渗时间为30分钟，Ti(Al,Si)3合金层厚度为52.4微米，无τ2:Ti(Al,Si)2相。步骤四、将带有铈改性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层的铈改性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10.2微米，Ti(Al,Si)3合金层平均厚度为15.7微米，含SiO2颗粒的α-Al2O3层平均厚度为17.1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-Ce中间合金，配置Al-Ce热浸渗熔液；所述添加铈的重量百分含量为1wt.%。步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铈改性Ti-Al-Si梯度涂层，将步骤二的Al-Ce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-Ce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-Ce合金层的铈改性Ti-Al-Si梯度涂层；所述热浸渗温度为800℃，热浸渗时间为40分钟，Ti(Al,Si)3合金层厚度为77.6微米，无τ2:Ti(Al,Si)2相。步骤四、将带有铈改性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层的铈改性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12.6微米，Ti(Al,Si)3合金层平均厚度为20.5微米，含SiO2颗粒的α-Al2O3层平均厚度为16.3微米。实例三步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、采用金属清洗剂对钛或钛合金表面除油清洗，晾干；/n步骤二、在高纯铝液中熔入Al-Ce中间合金，配置Al-Ce热浸渗熔液；/n步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铈改性Ti-Al-Si梯度涂层，将步骤二的Al-Ce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-Ce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)

【技术特征摘要】
1.一种铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
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-Ce中间合金，配置Al-Ce热浸渗熔液；
步骤三、采用自生梯度热浸渗法制备铈改性Ti-Al-Si梯度涂层，将步骤二的Al-Ce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-Ce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的铈改性Ti-Al-Si梯度涂层；
步骤四、将带有铈改性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层的铈改性Ti-Al-Si梯度涂层。


2.根据权利要求1所述的铈改性钛及钛合金原位自生Ti-Al-Si梯度涂层及其制备方法，其特征在于：步骤二中在高纯铝液中熔入Al-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李发国，刘战，王海钠，胡孝愿，谢颖，张家霖，尹付成，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43