專利名稱：鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法
技術領域：
本發(fā)明設計的是一種航空發(fā)動機零件表面防護技術，具體是在Ti-Al金屬間化合物表面等離子滲鍍Al的表面抗高溫氧化防護技術。
背景技術：
Ti-Al系金屬間化合物(Y_TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb等)具有高的高溫屈服強度、高的蠕變抗力和斷裂韌性，以及低的缺口敏感性，與傳統(tǒng)的鎳基高溫合金相比，其比強度更高， 是航空、航天飛行器理想的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。然而在超過700°C的高溫下，Ti-Al金屬間化合物的抗氧化性能急劇下降。同時，由于高溫下N、0原子滲入，合金易產(chǎn)生次表層脆化現(xiàn)象。因此，目前Ti-Al金屬間化合物的有效使用溫度不能滿足發(fā)動機熱端部件的工作要求。在正常氧化條件下，Ti-Al系金屬間化合物的氧化膜主要組成相是TiO2和Al2O315 在所有氧化膜中，Al2O3是最具保護性的氧化物之一，化學穩(wěn)定性高，而且氧離子在其中擴散系數(shù)很低。TiO2具有疏松的結(jié)構(gòu)和較大的氧滲透率，在高溫下難以賦予合金充分的抗氧化保護作用。Ti-Al金屬間化合物中盡管含有大量的鋁，但從熱力學條件看，Al2O3和TiO2 的生成自由能十分接近，而且鋁的活度與其成分存在嚴重的負偏差，即使是含Al量最高的
Y-TiAl合金，也很難通過鋁的選擇性氧化形成具有保護性的連續(xù)Al2O3氧化膜。在保持Ti-Al系金屬間化合物整體力學性能的前提下提高其抗高溫氧化性能，最有效的方法便是在合金表面制備抗氧化性優(yōu)良的保護涂層。然而，傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層易剝落， 合金涂層在高溫下長期服役時因互擴散而導致抗氧化性能快速下降，傳統(tǒng)化學熱處理易導致氫脆。為了盡快滿足航空航天等領域?qū)p比重、高性能的高溫結(jié)構(gòu)材料的迫切需求， Ti-Al金屬間化合物的高溫抗氧化性能的提高與解決已成為關鍵的工程問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
解決的技術問題本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種在Ti-Al金屬間化合物表面等離子滲鍍鋁而提高其抗氧化性能的表面防護技術。技術方案鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，包括以下步驟將純鋁材置于坩堝內(nèi)，所述坩堝導電，形成滲鍍源極，然后將坩堝放入真空室，鈦-鋁系金屬間化合物工件置于坩堝上方并向真空室充入氬氣，加直流負電壓使源極中鋁材熔化并保持放電濺射狀態(tài)，然后加鈦-鋁系金屬間化合物工件負電壓使工件升溫到70(Tl200°C，保溫O. 5^8h完成滲鍍。所述的源極坩堝材料為石墨、難熔金屬或耐高溫合金。所述的源極與鈦-鋁系金屬間化合物工件間距為l(T50mm。所述真空室充入氬氣后的工作氣壓為l(T80Pa。加于源極的電壓為-300 -800V。
加于工件的電壓為-500 -1200V。本發(fā)明米用雙層輝光等離子表面冶金方法在Ti-Al金屬間化合物表面形成 50^200 μ m的高溫抗氧化防護層，具有沉積層加擴散層的結(jié)構(gòu)特征。外層3 10 μ m的致密 Al沉積層可賦予Ti-Al金屬間化合物充分的抗氧化能力；其下的5(Γ200μπι的擴散層，由富Al相如TiAl3等組成，可在長時間高溫服役時有效阻礙沉積層Al原子向基體內(nèi)快速擴散，保持抗氧化性能的有效性和持續(xù)性。在一個真空室中，設置兩個陰極一個陽極。其中一個陰極由高純Al材制成，放置在導電材料(如石墨、難熔金屬或高溫合金)制成的坩堝內(nèi)，稱之為源極，在陽極與Ti-Al金屬間化合物工件和Al源極之間分別接一個可控直流電源。當真空室達到一定的真空度并充入氬氣達到一定的工作氣壓后，接通兩個直流電源，使陽極與Ti-Al金屬間化合物工件， 陽極與源極之間分別產(chǎn)生兩組輝光放電。在輝光放電所產(chǎn)生的氬離子轟擊作用下，源極被加熱熔化并產(chǎn)生蒸發(fā)，同時，氬離子的轟擊還濺射出大量的Al原子和原子團。濺射、蒸發(fā)出來的Al原子高速飛向工件表面，被工件表面所吸附而沉積。施加于工件的電場也產(chǎn)生輝光放電，使工件被加熱，達到合適的溫度后將使沉積于其表面的Al原子向內(nèi)擴散，使工件表面形成所設計的合金層。通過調(diào)整工作氣壓、源極電位、陰極電位以及源極-工件間距等參數(shù)可準確控制溫度，可在一定保溫時間下實現(xiàn)合金層中的合金元素含量及滲層厚度的控制。有益效果制備的表面防護層與一般的硬質(zhì)與合金涂層不同，由沉積層和滲層組成，滲層可在高溫下長時間有效延緩沉積層中Al原子向基體擴散，確保沉積層抗氧化特性的有效性和持久性。并且滲層中Al元素的成分與組織結(jié)構(gòu)沿深度而呈梯度變化，不僅使抗氧化沉積層具有牢固的結(jié)合力，抗熱震性強；也由于擴散層具有顯著強化效果，使其具有更高的承載能力。通過本發(fā)明方法在Ti-Al金屬間化合物制備的鋁滲鍍層可賦予其長期優(yōu)良的抗高溫氧化性能，同時基體材料的性能得以完整保留。由于研究對象的典型性，其研究成果將能推廣到其它領域，其工程價值也非常突出。經(jīng)滲鍍的工件表面具有沉積層加擴散層結(jié)構(gòu)的高溫抗氧化防護層。外層3 10 μ m 的致密Al沉積層可賦予合金充分的抗氧化能力。其下的5(Γ200 μ m的擴散層，可在長時間高溫服役時阻礙沉積層Al原子向基體內(nèi)快速擴散，并增強了功能沉積層與基材的結(jié)合力。


圖I為等離子滲鍍鋁原理圖，圖中I :可調(diào)直流電源，2 :工件，3 :源極(鋁)，4 :坩堝，5 :氬氣進口，6 :真空泵。圖2為爐內(nèi)滲具的布置方法示意圖，對于大尺寸或異形試樣可設置多個坩堝，仿試樣外形輪廓布放以保證極間距的一致。在實際生產(chǎn)中可增加傳動機構(gòu)使工件平移或轉(zhuǎn)動，以保證整個工件表面均勻滲鍍；圖中I :工件，2 :隔熱屏，3 :鋁液，4 :石墨坩堝。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。實施例I
Y-TiAl合金試樣表面滲鍍鋁
(I)試樣前處理。將試樣表面清洗并干燥，必要時可先拋光再清洗。(2)裝爐。按圖2所示的布置方法放置滲源、工件，l(T50mm范圍內(nèi)調(diào)整好極間距。(3)抽真空。關閉進氣孔，打開真空泵，將爐內(nèi)氣壓抽到KT1Pa以下，然后通入氬氣至30Pa的工作氣壓。(4)等離子清洗試樣。啟動電源，先將工件電源打開，施加-400V電壓，利用輝光放電所產(chǎn)生的等離子束對工件進行30min左右轟擊,一方面對試樣進行進一步清洗，另一方面活化表面以便于活性原子的吸附。(5)滲鍍。預轟擊后，將施加源極電壓-600V，至鋁材熔化再調(diào)整至-35(T-400V保持。同時將工件電壓加到-1100V，使試樣的溫度達950°C，然后調(diào)整至-80(T-950V以保持溫度。(6)降溫。保溫3h后，切斷源極電源，將工件極電壓調(diào)低至-250V，使工件極處于微弱輝光放電，自然逐步降溫。(7)出爐。試樣溫度降至200°C以下后，切斷工件極電源，關閉Ar氣閥，切斷真空泵電源和冷卻水。打開放氣閥充入大氣，工作室壓力恢復到大氣壓后打開爐罩并取出試樣。Y-TiAl合金經(jīng)上述等離子滲鍍鋁處理后，表面形成了 5 μ m厚的致密Al沉積層和 100 μ m的Al擴散層，抗氧化性能實驗中可以耐受1000°C的大氣環(huán)境，性能優(yōu)良。實施例2
Ti2AlNb合金試樣表面滲鍍鋁
(I)試樣前處理。將試樣表面清洗并干燥，必要時可先拋光再清洗。(2)裝爐。按圖2所示的布置方法放置滲源、工件，l(T50mm范圍內(nèi)調(diào)整好極間距。(3)抽真空。關閉進氣孔，打開真空泵，將爐內(nèi)氣壓抽到KT1Pa以下，然后通入氬氣至30Pa的工作氣壓。(4)等離子清洗試樣。啟動電源，先將工件電源打開，施加-400V電壓，利用輝光放電所產(chǎn)生的等離子束對工件進行30min左右轟擊,一方面對試樣進行進一步清洗，另一方面活化表面以便于活性原子的吸附。(5)滲鍍。預轟擊后，將施加源極電壓-600V，至鋁材熔化再調(diào)整至-35(T-400V保持。同時將工件電壓加到-1000V，使試樣的溫度達900°C，然后調(diào)整至-80(T-900V以保持溫度。(6)降溫。保溫4h后，切斷源極電源，將工件極電壓調(diào)低至-250V，使工件極處于微弱輝光放電，自然逐步降溫。(7)出爐。試樣溫度降至200°C以下后，切斷工件極電源，關閉Ar氣閥，切斷真空泵電源和冷卻水。打開放氣閥充入大氣，工作室壓力恢復到大氣壓后打開爐罩并取出試樣。Ti2AlNb合金經(jīng)上述等離子滲鍍鋁處理后，表面形成了 6 μ m厚的致密Al沉積層和 120μπι的Al擴散層，抗氧化性能實驗中可以耐受900°C的大氣環(huán)境，性能優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，其特征在于包括以下步驟將純鋁材置于坩堝內(nèi)，所述坩堝導電，形成滲鍍源極，然后將坩堝放入真空室，鈦-鋁系金屬間化合物工件置于坩堝上方并向真空室充入氬氣，加直流負電壓使源極中鋁材熔化并保持放電濺射狀態(tài)，然后加鈦-鋁系金屬間化合物工件負電壓使工件升溫到70(Tl200°C，保溫O. 5^8h完成滲鍍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，其特征是所述的源極坩堝材料為石墨、難熔金屬或耐高溫合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，其特征是所述的源極與鈦-鋁系金屬間化合物工件間距為l(T50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，其特征是所述真空室充入氬氣后的工作氣壓為l(T80Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，其特征是加于源極的電壓為-300 -800V。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，其特征是加于工件的電壓為-500 -1200V。
全文摘要
鈦-鋁系金屬間化合物表面滲鍍鋁的方法，包括以下步驟將純鋁材置于坩堝內(nèi)，所述坩堝導電，形成滲鍍源極，然后將坩堝放入真空室，鈦-鋁系金屬間化合物工件置于坩堝上方并向真空室充入氬氣，加直流負電壓使源極中鋁材熔化并保持放電濺射狀態(tài)，然后加鈦-鋁系金屬間化合物工件負電壓使工件升溫到700~1200℃，保溫0.5~8h完成滲鍍。經(jīng)滲鍍的工件表面具有沉積層加擴散層結(jié)構(gòu)的高溫抗氧化防護層。外層3~10μm的致密Al沉積層可賦予合金充分的抗氧化能力。其下的50~200μm的擴散層，可在長時間高溫服役時阻礙沉積層Al原子向基體內(nèi)快速擴散，并增強了功能沉積層與基材的結(jié)合力。
文檔編號C23C10/08GK102586724SQ20121004720
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者任蓓蕾, 姚正軍, 張平則, 徐一, 李龍, 楊晶晶, 梁文萍, 繆強 申請人:南京航空航天大學