一种用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层及其制备方法

1.本发明涉及一种抗高温氧化防护涂层，特别涉及一种用于钛合金表面长期抗高温氧化防护涂层及其制备方法，属于表面防护技术领域。


背景技术：

2.与高温合金、钢等金属材料相比，钛合金具有低密度、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀、工作温度范围宽等性能优势，其在航空发动机领域具有广泛的使用，例如风扇、低压压气机和高压压气机的叶片、盘、整体叶盘、轴颈、盘轴、机匣等关键件以及各类管路、紧固件等均采用钛合金材料。目前，钛合金在先进航空发动机上的用量约占整机重量的 25%~40%，钛合金在航空领域的大量使用对减轻发动机结构重量、提高推重比（或功重比）、降低耗油率等起到了关键作用。
3.然而，钛合金在长期高温环境中会导致表面氧化而使性能下降，尤其当温度超过500℃时，钛合金表面氧化后形成疏松、多孔的tio2层，防护性能差。同时，由于o、n等间隙原子在合金中具有很高的固溶度，高温条件下长时间暴露后，间隙原子含量增加，导致钛合金出现高温氧脆现象，致使合金失效。解决钛合金高温环境中氧化失效的主要方法有合金化、表面改性和施加高温抗氧化防护涂层等，其中抗氧化涂层技术是最有效且最主要的技术之一。根据制备工艺的差异，目前钛合金表面高温防护涂层常用的制备方法有等离子喷涂、激光熔覆、磁控溅射、热扩散渗、熔融烧结、离子注入、物理/化学气相沉积以及粘结涂层技术等。粘结涂层技术可在较低温度和较为简单的实验环境下进行涂敷施工，工艺简单、方便且经济节约，另外，适用于复杂异形结构件的涂敷施工与防护，是一种比较有前景的技术方法。但是，现有粘结类抗高温氧化涂层存在的共性问题是与钛合金基体结合强度好的耐高温性能差，而本身耐高温性能良好的涂层材料其结合强度和成膜性均较差。有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种钛合金表面的抗高温氧化防护涂层及其制备方法。本发明制备的抗高温氧化涂层在长期高温条件下与钛合金基体结合良好，且可以满足钛合金结构在650℃以下的长期高温抗氧化防护需求。同时，本发明涂层制备方法简单，涂敷工艺便捷，尤其适用于复杂曲面异形钛合金结构件表面的长期抗高温氧化防护。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层，其为双层结构设计，底层为不同尺寸球型铝粉和纳米二氧化硅填充的无机磷酸盐抗氧化防护层，面层为纳米钛白粉填充的无机磷酸盐封孔层；底层中各组分的质量分数为：第一类无机磷酸盐粘结剂10~20%，不同尺寸球形铝粉40~50%，纳米二氧化硅5~10%，余量为去离子水；面层中各组分的质量分数为：第二类无机磷酸盐粘结剂40~50%，纳米钛白粉10~20%，余量为去离子水；所述第一类无机磷酸盐为无机磷酸铝镁或无机磷酸铝粘结剂，所述第二类无机磷酸盐为无机磷酸铝铬或无机磷酸
镁铬粘结剂。
6.所述不同尺寸球形铝粉为两种不同尺寸分布球形铝粉的混合物，第一种球形铝粉的粒径为1~2
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m，第二种球形铝粉的粒径为3~4
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m，且两者的比例为1:1~5:1。所述纳米二氧化硅的粒径为2~9 nm，纯度＞99.9%。所述纳米钛白粉的粒径为20~40 nm，纯度＞99.5%。
7.本发明的用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层由双层结构组成，底层为不同尺寸球型铝粉和纳米二氧化硅复合填料填充的第一类无机磷酸盐隔绝屏蔽层，通过利用高温条件下铝粉颗粒的熔融膨胀、以及铝粉与部分氧气分子优先反应形成氧化物致密化层的阻隔屏蔽效应，避免钛合金基体表面在长期高温环境中的氧化；面层为少量纳米钛白粉填充的具有高流动性的第二类无机磷酸盐封孔层，充分利用第二类无机磷酸盐涂料的高流动性进一步提高整体涂层的致密性和光洁度。双层结构设计最终保障复合涂层具备优异的抗高温氧化防护作用。同时，由于所选择第一类和第二类磷酸盐粘结剂本身均具有良好的高温稳定性以及与钛合金基体优异的结合强度，因此，其在多次重复高温热冲击环境下，仍然保持着良好的结合强度和优异的抗氧化防护作用。
8.上述钛合金表面的抗高温氧化防护涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）涂料的制备：将第一类无机磷酸盐粘结剂加入去离子水中，再加入不同尺寸球型铝粉搅拌后，加入纳米二氧化硅搅拌混匀，得到底层涂料；将第二类无机磷酸盐粘结剂加入去离子水稀释后继续加入纳米钛白粉，搅拌混匀得到面层涂料；（2）钛合金表面预处理对钛合金基体表面进行砂纸打磨或喷砂粗化处理，并通过有机溶剂清洗处理后获得干净的钛合金粗化处理表面；砂纸粗糙度选择1000~1600目数规格的砂纸，喷砂压力以4~6 mpa为宜，有机溶剂为丙酮或无水乙醇，清洗处理过程中进行超声处理2遍，每次超声时间15min以上；（3）钛合金表面涂敷底层涂料利用空气喷枪或刷涂的方式将底层涂料均匀涂敷于粗化处理后的钛合金基体表面，通过涂敷次数控制底层厚度，室温放置表干后，在高温炉中加热固化后自然冷却至室温；为了获得更好的均匀性，优先选择空气喷枪喷涂，喷枪压力0.4~0.5 mpa，底层厚度控制在15~20
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m，室温放置时间为3~8 h，加热固化条件为110~120℃保温2 h后升温至330~350℃保温1 h；（4）钛合金底层上继续涂敷面层涂料在上述固化后的底层表面继续利用空气喷枪或刷涂的方式涂敷面层，通过喷涂次数控制面层厚度，涂层表干后，在高温炉中加热固化后获得抗高温氧化防护涂层；面层厚度为5~10
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m，加热固化条件为110~120℃保温2h后升温至300~310℃保温1 h。
9.与现有技术相比，本发明的效果和益处在于：（1）本发明的复合涂层由底层隔绝屏蔽层和面层高流动性致密化层的双层结构组成，可以满足钛合金基材在650℃以下长期的高温抗氧化防护需求；（2）本发明的复合涂层的底层连续相粘结剂为无机磷酸铝镁或无机磷酸铝粘结剂，其本身具有良好的高温稳定性以及与钛合金基材良好的结合强度，在多次重复热冲击
和长期高温条件下，仍然具有良好的结合强度；（3）本发明的复合涂层的面层的基础粘结剂为无机磷酸铝铬或无机磷酸镁铬粘结剂，其结构与底层粘结剂相似，能够保障底层与面层间良好的结合强度，同时，面层通过少量纳米级钛白粉填充，其低粘度和高流动性的特点，能够显著提高整体涂层的致密性和表面光洁度，从而赋予复合涂层优异的高温抗氧化防护性能；（4）本发明方法简单，适合工业化生产，且涂料涂敷工艺简便，尤其适合于复杂异形钛合金结构件表面的高温抗氧化防护。
附图说明
10.图1是实施例1制得的复合涂层650℃保温300 h后的截面形貌图；图2是对比例1制得复合涂层650℃保温300 h后的截面形貌图。
具体实施方式
11.下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，下列实施例中和对比例中未明确说明的具体条件和试验方法，通常按照常规条件，且实施例和对比例中所使用的材料均为市售。
12.实施例1底层涂料的制备：准确称量15g磷酸铝镁粘结剂于三口烧瓶中，加入30g去离子水稀释后，室温机械搅拌并缓慢加入粒径1~2微米球形铝粉30g，粒径3~4微米球型铝粉20g后室温继续机械搅拌1小时后，加入5g纳米二氧化硅，继续搅拌1小时后转移至塑料罐中待用；面层涂料的制备：准确称量40g磷酸铬铝粘结剂于三口烧瓶后，加入40g去离子水稀释后继续加入20g纳米钛白粉，机械搅拌1小时混匀后待用；抗高温氧化涂层的制备：将tc4钛合金试片喷砂处理后，在丙酮中超声清洗干净，使用压力为0.4mpa的压缩空气喷枪将底层涂料均匀喷涂于tc4基材上，通过多次喷涂控制涂层厚度约为18微米左右，室温下放置5小时后，在马弗炉中120℃保温2小时后继续升温至340℃保温1小时，自然冷却至室温，然后用800目砂纸打磨表面，除去表层浮粉并粗化处理后，在底层上继续喷涂面层涂料，控制厚度为10微米左右，继续在马弗炉中110℃保温2小时后，升温至310℃保温1小时，自然冷却至室温后即得钛合金表面制备的抗高温氧化防护涂层。
13.实施例2底层涂料的制备：准确称量18g磷酸铝粘结剂于三口烧瓶中，加入27g去离子水稀释后，室温机械搅拌并缓慢加入粒径1~2微米球形铝粉40g，粒径3~4微米铝粉10g后室温继续机械搅拌1小时后，加入5g纳米二氧化硅，继续搅拌1小时后转移至塑料罐中待用；面层涂料的制备：准确称量40g磷酸铬铝粘结剂于三口烧瓶后，加入40g去离子水稀释后继续加入20g纳米钛白粉，机械搅拌1小时混匀后待用；抗高温氧化涂层的制备：将tc4钛合金试片喷砂处理后，在丙酮中超声清洗干净，使用压力为0.4mpa的压缩空气喷枪将面层涂料均匀喷涂于tc4基材上，通过多次喷涂控制涂层厚度约为18微米左右，室温下放置5小时后，在马弗炉中120℃保温2小时后继续升温至340℃保温1小时，自然冷却至室温，然后用800目砂纸打磨表面，除去表层浮粉并粗化处理
后，在底层上继续喷涂面层涂料，控制厚度为10微米左右，继续在马弗炉中110℃保温2小时后，升温至310℃保温1小时，自然冷却至室温后即得钛合金表面制备的抗高温氧化防护涂层。
14.实施例3底层涂料的制备：准确称量18g磷酸铝粘结剂于三口烧瓶中，加入27g去离子水稀释后，室温机械搅拌并缓慢加入粒径1~2微米球形铝粉40g，粒径3~4微米铝粉10g后室温继续机械搅拌1小时后，加入5g纳米二氧化硅，继续搅拌1小时后转移至塑料罐中待用；面层涂料的制备：准确称量50g磷酸铬镁粘结剂于三口烧瓶后，加入30g去离子水稀释后继续加入20g纳米钛白粉，机械搅拌1小时混匀后待用；抗高温氧化涂层的制备：将tc4钛合金试片喷砂处理后，在丙酮中超声清洗干净，使用压力为0.4mpa的压缩空气喷枪将面层涂料均匀喷涂于tc4基材上，通过多次喷涂控制涂层厚度约为18微米左右，室温下放置5小时后，在马弗炉中120℃保温2小时后继续升温至340℃保温1小时，自然冷却至室温，然后用800目砂纸打磨表面，除去表层浮粉并粗化处理后，在底层上继续喷涂面层涂料，控制厚度为10微米左右，继续在马弗炉中110℃保温2小时后，升温至310℃保温1小时，自然冷却至室温后即得钛合金表面制备的抗高温氧化防护涂层。
15.实施例4底层涂料的制备：准确称量16g磷酸铝粘结剂于三口烧瓶中，加入26g去离子水稀释后，室温机械搅拌并缓慢加入粒径1~2微米球形铝粉44g，粒径3~4微米铝粉10g后室温继续机械搅拌1小时后，加入5g纳米二氧化硅，继续搅拌1小时后转移至塑料罐中待用；面层涂料的制备：准确称量48g磷酸铬镁粘结剂于三口烧瓶后，加入32g去离子水稀释后继续加入18g纳米钛白粉，机械搅拌1小时混匀后待用；抗高温氧化涂层的制备：将tc4钛合金试片喷砂处理后，在丙酮中超声清洗干净，使用压力为0.4mpa的压缩空气喷枪将面层涂料均匀喷涂于tc4基材上，通过多次喷涂控制涂层厚度约为18微米左右，室温下放置5小时后，在马弗炉中120℃保温2小时后继续升温至340℃保温1小时，自然冷却至室温，然后用800目砂纸打磨表面，除去表层浮粉并粗化处理后，在底层上继续喷涂面层涂料，控制厚度为10微米左右，继续在马弗炉中110℃保温2小时后，升温至310℃保温1小时，自然冷却至室温后即得钛合金表面制备的抗高温氧化防护涂层。
16.对比例1底层涂料的制备：准确称量15g磷酸铝镁粘结剂于三口烧瓶中，加入30g去离子水稀释后，室温机械搅拌并缓慢加入粒径1~2微米球形铝粉30g，粒径3~4微米铝粉20g后室温继续机械搅拌1小时后，加入5g纳米二氧化硅，继续搅拌1小时后转移至塑料罐中待用；抗高温氧化涂层的制备：将tc4钛合金试片喷砂处理后，在丙酮中超声清洗干净，使用压力为0.4mpa的压缩空气喷枪将底层涂料均匀喷涂于tc4基材上，通过多次喷涂控制涂层厚度约为28微米左右，室温下放置5小时后，在马弗炉中120℃保温2小时后继续升温至340℃保温1小时，自然冷却至室温获得钛合金表面涂敷底层涂料的防护涂层。
17.对比例2面层涂料的制备：准确称量40g磷酸铬铝粘结剂于三口烧瓶后，加入40g去离子水
稀释后继续加入20g纳米钛白粉，机械搅拌1小时混匀后待用；抗高温氧化涂层的制备：将tc4钛合金试片喷砂处理后，在丙酮中超声清洗干净，使用压力为0.4mpa的压缩空气喷枪将面层涂料均匀喷涂于tc4基材上，通过多次喷涂控制涂层厚度约为28微米左右，室温下放置5小时后，在马弗炉中110℃保温2小时后，升温至310℃保温1小时，自然冷却至室温后即得钛合金表面涂敷面层涂料的抗高温氧化防护涂层。
18.将实施例1-4及对比例1-2中所述方法在tc4表面制备的抗高温氧化防护涂层在650℃的高温马弗炉中保温300小时后，在扫描电镜下观察涂层截面及基体的氧化情况（如图1和图2），钛合金基体的氧化程度通过氧化层的厚度表示，实施例和对比例热处理后的氧化层厚度结果如下表1所示。
19.从表1可以看出，使用本发明方法制备的抗高温氧化防护涂层具有良好的抗高温氧化性。将实施例1-4与对比例1进行比较，在相同厚度下，单独以底层涂料作为钛合金抗高温氧化涂层时，虽然表现出一定的抗氧化作用，但钛合金基体表面氧化层（污染层）的厚度仍然超过了12微米（图2），表现出较差的抗高温氧化作用。将实施例1~4与对比例2进行比较，当单独以面层涂料作为抗高温氧化涂层时，涂层基本不具备抗高温氧化作用。显然，通过双层结构设计，复合涂层表现出优异的钛合金表面抗高温氧化防护作用。
20.此外，本案发明人还利用前文所列出的其它工艺条件等替代实施例1-4中的相应工艺条件进行了相应试验，所需要验证的内容和与实施例1-4产品均接近。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1~4作为代表说明本发明申请优异之处。
21.应当理解，以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层，其特征在于：所述抗高温氧化防护涂层为双层结构设计，底层为不同尺寸球型铝粉和纳米二氧化硅填充的无机磷酸盐抗氧化防护层，面层为纳米钛白粉填充的无机磷酸盐封孔层；底层中各组分的质量分数为：第一类无机磷酸盐粘结剂10~20%，不同尺寸球形铝粉40~50%，纳米二氧化硅5~10%，余量为去离子水；面层中各组分的质量分数为：第二类无机磷酸盐粘结剂40~50%，纳米钛白粉10~20%，余量为去离子水；所述第一类无机磷酸盐为无机磷酸铝镁或无机磷酸铝粘结剂，所述第二类无机磷酸盐为无机磷酸铝铬或无机磷酸镁铬粘结剂。2.根据权利要求1所述的用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层，其特征在于：所述不同尺寸球形铝粉为两种不同尺寸分布球形铝粉的混合物，第一种球形铝粉的粒径为1~2
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m，第二种球形铝粉的粒径为3~4
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m，且两者的比例为1:1~5:1。3.根据权利要求1所述的用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层，其特征在于：所述纳米二氧化硅的粒径为2~9 nm，纯度＞99.9%。4.根据权利要求1所述的用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层，其特征在于：所述纳米钛白粉的粒径为20~40 nm，纯度＞99.5%。5.根据权利要求1-4任一项所述的用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层的制备方法，其特征在于：所述抗高温氧化防护涂层的制备方法包括以下步骤：（1）将第一类无机磷酸盐粘结剂加入去离子水中，再加入不同尺寸球型铝粉搅拌后，加入纳米二氧化硅搅拌混匀，得到底层涂料；将第二类无机磷酸盐粘结剂加入去离子水稀释后继续加入纳米钛白粉，搅拌混匀得到面层涂料；（2）对钛合金基体进行砂纸打磨或喷砂粗化处理，并通过有机溶剂清洗处理后获得干净的钛合金粗化处理表面；（3）利用空气喷枪或刷涂的方式将底层涂料均匀涂敷于合金粗化处理表面，通过涂敷次数控制底层厚度，室温放置表干后，在高温炉中加热固化后自然冷却至室温；（4）在上述固化后的底层表面继续利用空气喷枪或刷涂的方式涂敷面层，通过喷涂次数控制面层厚度，涂层表干后，在高温炉中加热固化后获得抗高温氧化防护涂层。6.根据权利要求5所述的用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中底层的加热固化条件为110~120℃保温2 h后升温至330~350℃保温1 h；步骤（4）中面层的加热固化条件为110~120℃保温2h后升温至300~310℃保温1 h。

技术总结
本发明提供了一种用于钛合金表面的抗高温氧化防护涂层及其制备方法，属于金属及合金类材料表面防护技术领域。该抗高温氧化防护涂层由双层结构组成，底层为不同尺寸球型铝粉和纳米二氧化硅填充的无机磷酸盐类隔绝屏蔽层，充分利用高温条件下铝粉的熔融膨胀，以及与氧气分子优先反应形成致密化氧化物层的阻隔屏蔽效应，避免钛合金基体表面在长期高温环境中的氧化。面层为少量纳米钛白粉填充的无机磷酸盐封孔层，充分利用面层涂料的高流动性进一步提高整体涂层的致密性和光洁度，实现复合涂层优异的抗高温氧化防护作用。本发明制备的涂层与钛合金基体结合牢固，涂敷工艺简单，适合大型复杂异形钛合金结构件的抗高温氧化防护需求。求。


技术研发人员：吴
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21