一种钛铝合金表面改性的方法及其应用

技术领域

本发明涉及涂层材料领域，更具体地，涉及一种钛铝合金表面改性的方法及其应用。

背景技术

自二十世纪中叶以来，航空工业迅猛发展。镍基合金由于具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性、高温强度、组织稳定性及疲劳性能等优点被广泛用于航空发动机、燃气轮机以及高温耐蚀等零部件的制造。然而，随着航空工业的更新迭代，人们对飞机推重比的要求也逐步提高。钛基合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、热导率低、表面可装饰性强等特点，广泛应用于航空航天、化工、汽车、建筑等领域。其中，Ti-Al系金属间化合物以其优异的高温性能及良好的环境稳定性而成为高温结构材料的热门，有望代替传统Ni基合金。然而，当使用温度超过800℃时，TiAl合金抗高温氧化性能迅速恶化，极大地限制了TiAl合金的使用范围。这主要是因为，在高温环境中TiAl合金表面形成了一层外部为TiO

为了提高钛铝合金的抗高温氧化性能，对钛铝合金表面施加防护涂层的表面改性技术是一种常用的手段。通过在钛铝合金表面引入防护涂层，可以在不改变钛铝合金本体性能的前提下提高其抗高温氧化性能。目前常见的覆盖涂层有金属涂层、陶瓷涂层以及由几种涂层结合形成的复合涂层。其中，SiO

现有技术公开了一种碳纤维表面致密化烧结TiO

发明内容

为了解决现有技术中用于对钛铝合金进行表面改性的SiO

本发明的另一目的在于提供一种上述钛铝合金表面改性的方法在钛铝合金制备中的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种钛铝合金表面改性的方法，具体包括如下步骤：

S1.去除钛铝合金基体表面的氧化皮，清洗、干燥；

S2.将助熔剂溶于水或无水乙醇，得到摩尔浓度为0.01～1mol·L

S3.将悬浊液涂覆在基体表面并干燥，在基体表面获得初始涂层；

S4.将试样放入700～1000℃的气体环境下热处理1～5h，空冷即可在基体表面得到SiO

步骤S2中的助熔剂选自Li、Na、K、Ca盐中的任意一种或多种。

SiO

在SiO

步骤S2中的助熔剂溶液的摩尔浓度为0.01～1mol·L

步骤S4中热处理的条件为将试样放入700～1000℃的气体环境下热处理1～5h。热处理的温度是决定涂层的致密化过程能否发生的重要因素。虽然助熔剂熔点低，但是700℃是其与SiO

需要说明的是，本发明所提供的钛铝合金表面改性方法是应用于钛铝合金上的，具体而言，钛铝合金选自Ti

除此之外，本发明在制备SiO

在本发明的具体实施方式中，步骤S1中去除钛铝合金表面氧化皮的具体操作为用砂纸对钛铝合金基体进行打磨。

优选地，步骤S2中助熔剂溶液的浓度为0.05～0.5mol·L

更优选地，步骤S2中助熔剂溶液的浓度为0.1mol·L

助熔剂溶液中助熔剂的含量决定涂层中Li、Na、K、Ca元素的含量，也因此决定了涂层中液相化合物的流动性和黏度即对基体的结合力。当步骤S2中助熔剂溶液的浓度低于0.05mol·L

优选地，步骤S2中悬浊液中SiO

更优选地，步骤S2中悬浊液中SiO

步骤S2所得到的悬浊液中SiO

优选地，步骤S2中SiO

将氨水：水：无水乙醇：硅氧烷试剂以(1～4)：(10～20)：(20～40)：(1～10)的体积比混合，在20～30℃下搅拌反应0.5～5h；将反应得到的液体进行离心，取沉淀，加入无水乙醇重新溶解；再次离心，取沉淀，所得沉淀即为纯SiO

SiO

更优选地，在SiO

在这一反应物的体积比下制备的SiO

优选地，步骤S2中的助熔剂为LiNO

更优选地，步骤S2中的助熔剂为KNO

最优选地，步骤S2中的助熔剂为KNO

不同助熔剂与SiO

通过选择不同种类和含量的助熔剂，还可以实现对SiO

在步骤S3中需要说明的是，涂覆的方式选自传统的滴涂、喷涂、浸涂、旋涂四种方式中的任意一种。

优选地，步骤S3中涂覆的具体方式为滴涂或喷涂。

更优选地，步骤S3中涂覆的具体方式为滴涂。

本发明采用的喷涂、滴涂、旋涂等制备方法，操作简单方便，效率高且易于实现；然而，采用浸涂法制备的涂层厚度不足，难以提高金属材料的抗高温氧化性；旋涂法则对合金基体大小有要求，且不仅容易产生流挂，还浪费严重原料。滴涂和喷涂则可以较好地将原料涂覆于试样表面，操作简单方便。滴涂操作最为简单，对设备要求极低。

优选地，步骤S3中涂覆和干燥的操作进行1～5次。

更优选地，步骤S3中涂覆和干燥的操作进行3次。

当步骤S3中涂覆和干燥的操作只进行1次时，在钛铝合金基体表面能得到一层软化点降低、致密度提高的SiO

在本发明的具体实施方式中，步骤S4中对试样进行热处理时所处的气体环境可以选自真空环境、空气环境和氩气环境中的任意一种。

优选地，步骤S4中热处理所处的气体环境选自空气环境、氩气环境中的任意一种。

在上述气体环境中进行热处理，对设备的要求更低。

更优选地，步骤S4中热处理所处的气体环境为空气环境。

优选地，步骤S4中热处理的温度为800～950℃。

更优选地，步骤S4中热处理的温度为800～900℃。

最优选地，步骤S4中热处理的温度为900℃。

虽然助熔剂的熔点低，但是700℃是其与SiO

本发明还保护一种上述钛铝合金表面改性的方法在钛铝合金制备中的应用。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的钛铝合金表面改性的方法，能够在钛铝合金基体上引入致密的SiO

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。

实施例1

一种钛铝合金表面改性的方法，具体包括如下步骤：

S1.用砂纸对钛铝合金试样(Ti-Al合金，钛铝原子比为1:1)进行打磨，去除其表面氧化皮，然后依次在丙酮和乙醇中超声清洗10min，最后用热风吹干待用；

S2.将助熔剂KNO

S3.将悬浊液滴涂在基体表面并干燥，再重复进行2次，即进行3次涂覆与干燥的操作，在钛铝合金基体表面获得初始涂层；

S4.将试样放入900℃的空气环境下热处理1h，空冷即可在基体表面得到SiO

其中，步骤S2中的SiO

将氨水：水：无水乙醇：硅氧烷试剂以4：18：32：5的体积比混合，在30℃下搅拌反应1h；将反应得到的液体进行离心，取沉淀，加入无水乙醇重新溶解；再次离心，取沉淀，所得沉淀即为纯SiO

实施例2

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中悬浊液中SiO

实施例3

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中悬浊液中SiO

实施例4

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中悬浊液中SiO

实施例5

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中助熔剂溶液的浓度为0.5mol·L

实施例6

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中助熔剂溶液的浓度为0.01mol·L

实施例7

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中助熔剂溶液的浓度为0.05mol·L

实施例8

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中助熔剂溶液的浓度为1mol·L

实施例9

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S4中热处理的温度为700℃。

实施例10

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S4中热处理的温度为800℃。

实施例11

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S4中热处理的温度为1000℃。

对比例1

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中将SiO

对比例2

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中助熔剂溶液的浓度为3mol·L

对比例3

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S2中悬浊液中SiO

对比例4

一种钛铝合金表面改性的方法，其中与实施例1不同的地方在于：

步骤S4中热处理的温度为1200℃。

性能测试

抗高温氧化性能测试：在900℃下对表面经过上述钛铝合金表面改性的方法处理过的钛铝合金试样进行100h的恒温氧化，测定钛铝合金试样单位面积的增重(mg/cm

测试结果如下表1所示：

表1.实施例1～11与对比例1的性能测试结果

实施例1～4和对比例3揭示了悬浊液中SiO

实施例1、5～8和对比例1～2的结果对比反映了助熔剂溶液的浓度对涂层抗高温氧化性能的影响。实施例1、5和7制备得到的为助熔剂溶液的浓度在本发明优选的0.05～0.5mol·L

实施例1、9～11和对比例4揭示了热处理温度对涂层抗高温氧化性能的影响。实施例9为在700℃下制备的SiO

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。