一種提高鈦基合金抗高溫氧化性能的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料抗高溫氧化領域，具體設及一種提高鐵基合金抗高溫氧化性 能的方法。 技術背景
[0002] 鐵侶合金具有密度低、比強度高、彈性模量高、高溫抗蠕變能力好等優(yōu)點，是一種 極具應用前景的高溫材料，被應用于航空發(fā)動機高壓壓風機和滿輪葉片等高溫零部件。然 而，鐵侶合金的實際使用溫度被限制在750°CW下，由于在更高溫度下，鐵和侶與氧的親和 能力差不多，合金表面形成的是Ti化和Al2〇3混合層，氧化膜的生長速率很快，容易發(fā)生剝 落。
[0003] 為克服W上不足，國內(nèi)外學者采用了合金化、離子注入法、表面涂層和陽極氧化等 方法改性來提高鐵侶合金的服役溫度。合金設計主要包括兩個方面，一是提高TiAl合金中 基本元素 A1的含量，運固然有利于其抗氧化性能的改善，但A1含量不宜太高，否則一旦析出 脆性的TiAh將影響其力學性能。二是通過加入第Ξ種或者多種合金元素，如:Nb，Sb，Si， Cr，Y，Mo等雖然也可有效改善TiAl合金的高溫抗氧化性能，但加入量過高通常會導致TiAl 合金力學性能下降。離子注入法雖然注入量可控、重復性較好，但設及的設備較昂貴、生產(chǎn) 效率較低，且對TiAl合金成分改變的深度僅局限在表面較淺的范圍（<1皿)。而防護涂層，如 金屬涂層Μ化A1(Y)，陶瓷涂層(如Si化、Ah化和化化等），W及擴散涂層（如Al、Si等）等雖然 可作為屏蔽層阻擋氧氣向基體滲透，但各自仍存在一定的問題。金屬涂層與基體間的互擴 散較嚴重，界面易析出硬脆相，同時產(chǎn)生柯肯達爾孔桐，嚴重降低了涂層與基體的結合強 度;陶瓷涂層內(nèi)應力較大且與基體結合強度較低;擴散涂層與基體熱膨脹系數(shù)相差較大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有鐵侶合金抗高溫氧化能力不足，提供一種工藝簡單、操 作方便、效率高、易于實現(xiàn)的提高鐵基合金抗高溫氧化性能的方法，顯著提高了鐵基合金在 1000°C高溫下的抗氧化性能。
[000引一種提高鐵基合金抗高溫氧化性能的方法，包括W下步驟：
[0006] 1)首先去除鐵基合金基體的表面氧化物，然后清洗、干燥；
[0007] 2)采用離子注入法向經(jīng)步驟1)處理后的鐵基合金基體中注入特征離子;所述的特 征離子為化、Y、Nb、F、Cl離子中的一種或任意幾種；
[000引 3)按照體積比為(50-100): (50-100): (1~10)將無水乙醇、水和前軀體娃酸烷基 醋混合，然后用酸調混合體系抑至2.0~6.0,室溫下攬拌2~4她，得到前軀體溶液；
[0009] 4)在兩電極槽中加入配好的前軀體溶液，W注入了特征離子的鐵基合金為陰極， 銷片或石墨作為對電極，電極間距控制在1-lOcm，控制電流密度為-0.1 mAcnf2~-5. OmAcnfS 進行電沉積，沉積時間為30s~1000s，沉積完成后將工作電極水洗后于40~150°C烘干，從 而在鐵基合金表面得到微納米氧化物涂層；
[0010] 5)將覆蓋有微納米氧化物涂層的鐵基合金在空氣中于600~700°C下熱處理10~ 60min，即在鐵基合金表面得到抗高溫氧化涂層。
[0011] 進一步，所述的鐵基合金為含侶的鐵基合金。
[0012] 更進一步，所述的鐵基合金選自 Tis-AUTi-AKTi-AbJi-eAl-AVJiAlNbJi- ATAl-SCr-SNb 中的一種。
[0013] 進一步，步驟1)中，可用砂紙將鐵基合金基體打磨去除表面氧化物;清洗試劑可采 用丙酬、乙醇等，優(yōu)選采用超聲進行多次清洗。
[0014] 進一步，所述的娃酸烷基醋優(yōu)選正娃酸乙醋（TE0S)、正娃酸甲醋（TM0S)中的一種 或兩種的混合。
[001引進一步，步驟2)中，特征粒子的注入劑量化X 1015~1 X 1020cm-2。
[0016]更進一步，步驟2)所述的離子注入法具體按照如下操作:往經(jīng)步驟1)處理后的鐵 基合金基體中注入特征離子，注入能量為40-80keV，注入劑量為1 X l〇is~1 X lO^cm-2,注入 后將鐵基合金在200~400°C下真空退火0.5~地。
[0017]進一步，步驟3)中，調節(jié)pH使用的酸可W為鹽酸化C1)、硝酸化N03)或醋酸化Ac)， 濃度為〇.5mol · L-1 ~2.0mol · [1。
[001引進一步，步驟4)中，電流密度優(yōu)選為-0.5mA · cnf2~-5.0mA · cnf2。
[0019] 進一步，步驟4)中，沉積時間優(yōu)選為200s-600s。
[0020] 進一步，所述的方法由步驟1)~步驟5)組成。
[0021] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0022] (1)首先向基體中注入一定濃度的特征離子，使該離子在高溫氧化過程中優(yōu)先于 基體發(fā)生反應，形成保護性的氧化膜，與后續(xù)的電沉積二氧化娃膜層起到協(xié)同保護作用。
[0023] (2)本發(fā)明通過電沉積技術在鐵基合金表面制備得到微納米級氧化物（即Si〇2)涂 層，該微納米氧化物涂層與基體存在化學鍵合作用，因而具有優(yōu)異的結合力;然后經(jīng)空氣中 低溫(600~700°C)熱處理，在該熱處理過程中，氧化物可與基體中的Ti和A1元素發(fā)生固相 化學反應，在金屬表面形成連續(xù)而致密的玻璃態(tài)保護層，該保護層可阻止空氣中的氧向基 體擴散，同時阻止金屬內(nèi)部的陽離子向外擴散，進而提高鐵基合金的抗高溫氧化性能。
[0024] (3)本發(fā)明工藝簡單、操作方便、效率高、易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0025] 圖1為1000°C恒溫氧化10化的動力學曲線（曲線1為裸TiAl合金，曲線2為根據(jù)實施 例4向TiAl合金中注入1 X l〇i8cnf2Cl離子后，在四乙氧基硅烷中-2 .OmAcnf2電流密度下電沉 積300s所得試樣）。
[0026] 圖2為實施例4制備的未經(jīng)熱處理的Si化涂層的掃描電子顯微鏡照片。
[0027] 圖3為實施例4所得試樣經(jīng)1000°C恒溫氧化10化后的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0028] 下面W具體實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不限 于此：
[0029] 實施例1
[0030]首先用砂紙將鐵侶合金試樣(鐵侶原子比為1:1)打磨去除表面氧化物，然后依次 在丙酬和乙醇中超聲清洗lOmin，最后用熱風吹干待用。在40keV能量下，向打磨清洗好的鐵 侶合金試樣（鐵侶原子比為1:1)中注入1 X l〇i5cnf化1，注入后的試樣經(jīng)200°C下真空退火 地。依次往燒杯中加入50mL無水乙醇、50mL水、1血正娃酸乙醋（TEOS)，用0.5mol · 1-1肥1調 pH至2.0左右，室溫下攬拌化得到前軀體溶液待用。W前軀體溶液為電解液，W經(jīng)過離子注 入的鐵基合金作為陰極，石墨電極作為對電極，電極間距控制在1cm，控制電流密度為- 0.1mA · cnf2,沉積時間為1000s，沉積完成后將工作電極用去離子水沖洗后于40°C烘干，得 到微納米氧化物涂層。隨后，將該覆蓋有微納米氧化物涂層的鐵基合金在空氣中于600°C下 熱處理60min，即制得抗高溫氧化涂層;采用1000°C恒溫氧化10化后單位面積的增重來評估 其抗高溫氧化性能，具體結果如表1。
[00引]表1實驗結果
[0032]
[0034] 實施例2
[0035] 首先用砂紙將鐵侶合金試樣(鐵侶原子比為1:1)打磨去除表面氧化物，然后依次 在丙酬和乙醇中超聲清洗lOmin，最后用熱風吹干待用。在80keV能量下，向打磨清洗好的鐵 侶合金試樣（鐵侶原子比為1:1)中注入1 X l〇Wcnf2Cl，注入后的試樣經(jīng)400°C下真空退火 0.5h。依次往燒杯中加入lOOmL無水乙醇、lOOmL水、lOmL正娃酸乙醋（TEOS)，1. Omol · L- 1歷〇3調pH至6.0左右，室溫下攬拌化得到前軀體溶液待用。W前軀