一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层及其制备方法，属于热防护涂层制备技术领域。本发明专利技术公开了一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层，沿远离钛合金表面的方向，依次包括微弧氧化膜层、金属粘结层、氧化锆陶瓷层、稀土铝酸盐陶瓷外层；通过先对薄壁钛合金基体进行微弧氧化处理，再采用大气等离子喷涂工艺在微弧氧化膜层上依次制备金属粘结层、氧化锆陶瓷层、稀土铝酸盐陶瓷外层，得到钛合金表面耐高温抗冲刷复合涂层。解决了现有技术中薄壁钛合金基体制备涂层时，产生较大的变形和结合力不够的问题。实现了降低基体的变形风险，同时保障基体与涂层界面的结合力。同时保障基体与涂层界面的结合力。同时保障基体与涂层界面的结合力。

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热防护涂层制备
，尤其涉及一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]在航空航天飞行器中，位于助推器尾喷口处的整流罩，一般采用薄壁类的钛合金材料。助推器尾喷口为高温高压燃气流场以及Al2O3粒子侵蚀冲刷环境，因此需要在整流罩表面制备耐高温抗冲刷涂层来防止高温、高压和高速气流冲刷而不被烧穿。
[0003]传统的解决方案是将整流罩改为高温合金材料，同时在气流冲刷表面增加碳碳复合材料，该方案结构设计复杂，材料成本较高，结构整体增重较多。

技术实现思路

[0004]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层及其制备方法，直接在钛合金基体表面制备耐高温抗冲刷涂层，材料总成本较低且结构整体增重少。本专利技术得到的涂层厚度结构合理，整体的抗热冲击能力好，抗高温烧蚀性能优异，且基体与涂层界面的结合力强，并降低了基体的变形风险。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层，沿远离钛合金表面的方向，依次包括微弧氧化膜层、金属粘结层和氧化锆陶瓷层；
[0006]所述微弧氧化膜层为金红石型和锐钛矿型TiO2的陶瓷涂层，通过等离子体微孤作用在钛合金表面原位生长出金红石型和锐钛矿型TiO2的陶瓷膜层。
[0007]进一步地，所述微弧氧化膜层厚度为10～20μm。
[0008]进一步地，所述微弧氧化膜层粗糙度Ra为2～3μm，微弧氧化后基体变形量≤0.2mm。
[0009]进一步地，上述薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层还包括位于氧化锆陶瓷层上的稀土铝酸盐陶瓷外层，所述稀土铝酸盐陶瓷外层为将稀土铝酸盐粉末经喷雾干燥处理得到的稀土铝酸盐喷涂粉末的大气等离子喷涂层。
[0010]本专利技术还提供了一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层的制备方法，用于制备上述复合涂层，所述制备方法包括以下步骤：
[0011]步骤1：对薄壁钛合金基体进行微弧氧化处理；
[0012]步骤2：在步骤1处理后的微弧氧化膜层上制备金属粘结层；
[0013]步骤3：将氧化锆喷涂粉末沉积在步骤2的金属粘结层表面得到氧化锆陶瓷层。
[0014]进一步地，所述步骤1中，微弧氧化工艺为：电流波形为单向脉冲或双向方波，脉冲波形频率在50Hz～1500Hz；正向电流密度为180A/dm2～300A/dm2；负向电流密度为0A/dm2～100A/dm2；正向占空比10％～50％，负向占空比10％～50％。
[0015]进一步地，所述步骤1中，微弧氧化时间为10min～30min；微弧氧化槽液温度10℃～30℃。
[0016]进一步地，上述薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层的制备方法的所述步骤3之后还包括：
[0017]步骤4：采用大气等离子喷涂工艺将稀土铝酸盐喷涂粉末沉积在步骤3的氧化锆陶瓷层表面得到稀土铝酸盐陶瓷外层。
[0018]进一步地，所述步骤4中，所述稀土铝酸盐喷涂粉末粒径为20～80μm，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为25～45L/min，氢气流量为5～15L/min，电流大小控制为500～600A，功率为25～45kW，送粉氩气流量为0.5～4.0L/min，送粉速度为30～80g/min，喷涂距离为80～120mm。
[0019]进一步地，所述步骤4中，稀土铝酸盐喷涂粉末的制备方法，包括以下步骤：
[0020]步骤401：将稀土氧化物与氧化铝、氧化镁采用高温固相合成得到稀土铝酸盐粉末；
[0021]步骤402：将步骤401得到的稀土铝酸盐粉末与去离子水、聚乙烯醇混合，通过球磨工艺混合均匀得到浆料；
[0022]步骤403：将步骤402得到的浆料进行喷雾干燥处理得到稀土铝酸盐喷涂粉末。
[0023]进一步地，上述金属粘结层为NiCoCrAlY；
[0024]所述氧化锆陶瓷层采用大气等离子喷涂工艺将氧化锆喷涂粉末沉积得到；
[0025]进一步地，上述步骤2中，金属粘结层喷涂粉末粒径为30～74μm，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为15～35L/min，氢气流量为1～8L/min，电流大小控制为500～550A，功率为20～35kW，送粉氩气流量为0.5～3.5L/min，送粉速度为30～80g/min，喷涂距离为60～120mm。
[0026]进一步地，上述步骤3中，氧化锆喷涂粉末粒径为35～64μm，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为25～45L/min，氢气流量为5～15L/min，电流大小控制为500～600A，功率为25～45kW，送粉氩气流量为0.5～3.5L/min，送粉速度为30～80g/min，喷涂距离为80～120mm。
[0027]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
[0028]1、零件在喷涂过程前，需对其进行前处理以粗化零件表面、保障涂层与基体的结合力。现有技术前处理最常用的方式喷砂可能使薄壁钛合金基体采用较大的变形，为了降低基体的变形风险，同时保障基体与涂层界面的结合力，本专利技术采用微弧氧化前处理工艺，摒弃了传统的吹砂工艺。
[0029]2、采本专利技术的耐高温抗冲刷复合涂层是由微弧氧化膜层、金属粘结层、氧化锆陶瓷层和稀土铝酸盐陶瓷外层组成的多层涂层结构，金属粘结层与基体热膨胀系数相近，有利于降低热膨胀不匹配引起的应力而产生的裂纹及断层；稀土铝酸盐陶瓷外层采用低热导率稀土铝酸盐陶瓷材料具有优异的抗高温烧蚀特性，经火焰灼烧30秒，涂层表面温度达到850
±
50℃，从30秒到1500秒后，基体背部温度350
±
50℃，隔热性能优异；用火焰对涂层样品循环灼烧5次，每次灼烧时间均为1500秒，5次热循环后，涂层仍然完整，基体金属结构完好，涂层未出现任何剥落与脱落，涂层的抗高温烧蚀性能优异。
[0030]3、本专利技术的耐高温抗冲刷涂层为多层复合结构，沿远离钛合金表面的方向，依次包括：微弧氧化膜层、金属粘结层、氧化锆陶瓷层；多层结构有利于降低热膨胀不匹配引起的应力，通过热导率系数的不同可以产生明显的热。还可包括稀土铝酸盐陶瓷外层，稀土铝
酸盐陶瓷外层采用低热导率稀土铝酸盐陶瓷材料具有优异的抗高温烧蚀特性，并提供优异的隔热性能；氧化锆陶瓷层采用氧化锆涂层，在具备隔热性能的同时可提高涂层整体的抗热冲击能力；金属粘结层与钛合金基体具有良好的热膨胀系数匹配性；微弧氧化膜层提供更高的粗糙系数，使得各涂层附着力增强。利用本专利技术得到的耐高温抗冲刷复合涂层，涂层厚度结构合理，可有效避免各层材料之间因热膨胀系数差异导致的失效。
[0031]本专利技术提供的耐高温抗冲刷梯度复合涂层的热膨胀系数和热导率呈梯度渐变，有利于降低因层间热膨胀匹配性差引起的应力，同时通过热导率系数的差异产生明显的热梯度，有利于抗高温烧蚀性能。
[0032]本专利技术中，上述各技术方案之间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层，其特征在于，沿远离钛合金表面的方向，依次包括微弧氧化膜层、金属粘结层和氧化锆陶瓷层；所述微弧氧化膜层为金红石型和锐钛矿型TiO2的陶瓷涂层，通过等离子体微孤作用在钛合金表面原位生长出金红石型和锐钛矿型TiO2的陶瓷膜层。2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述微弧氧化膜层厚度为10～20μm。3.根据权利要求1或2所述的复合涂层，其特征在于，所述微弧氧化膜层粗糙度Ra为2～3μm，微弧氧化后基体变形量≤0.2mm。4.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，还包括位于氧化锆陶瓷层上的稀土铝酸盐陶瓷外层，所述稀土铝酸盐陶瓷外层为将稀土铝酸盐粉末经喷雾干燥处理得到的稀土铝酸盐喷涂粉末的大气等离子喷涂层。5.一种薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1
‑
4所述的复合涂层，所述制备方法包括以下步骤：步骤1：对薄壁钛合金基体进行微弧氧化处理；步骤2：在步骤1处理后的微弧氧化膜层上制备金属粘结层；步骤3：将氧化锆喷涂粉末沉积在步骤2的金属粘结层表面得到氧化锆陶瓷层。6.根据权利要求5所述的薄壁钛合金基体耐高温抗冲刷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，微弧氧化工艺为：电流波形为单向脉冲或双向方波，脉冲波形频率在50Hz～1500Hz；正向电流密度为180A/dm2～300A/dm2；负向电流密度为0A/d...

【专利技术属性】
技术研发人员：田伟智，高鑫，郭嘉仪，杨茗佳，史浩伯，
申请(专利权)人：北京星航机电装备有限公司，
类型：发明
国别省市：