一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法。


背景技术：

2.钛合金是一种重要的结构金属，其强度高，耐蚀性好，主要用于制作飞机发动机压气机部件，火箭、导弹和高速飞机的结构件。但是钛合金氧化之后各项性能急剧下降，所以其抗氧化性能研究对于钛合金的应用至关重要。
3.al是一种活泼金属，易氧化形成致密al2o3氧化层，用来做涂层材料可以保护基体不被氧化，且与钛合金结合良好。但生成的al2o3氧化层通常较薄，与基底之间的结合力也较弱，因此单层al2o3防氧化层很难满足现实的使用要求。莫来石是一种优质的高温耐火材料，将al2o3与莫来石复合起来作为钛合金基材的防氧化涂层，能够解决涂层与基底之间结合力差的问题；而将al2o3与莫来石制备成梯度结构，能增加抗氧化层的厚度，有效提高金属基体的抗氧化性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法。该方法以钛合金作为基板，在其表面铺覆一层铝箔，并通过真空热处理的方式使铝箔熔融后均匀涂覆在表面形成金属al层，随后在高温下氧化得到al2o3层；再利用sio2作为靶材，通过磁控溅射法在al2o3层表面镀覆一层sio2；最后将其在高温下进行热处理，al2o3和表面的sio2反应后生成莫来石(3al2o3·
2sio2)，得到al2o
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莫来石梯度防氧化涂层，从而提高钛合金基体的抗氧化性能。
5.本发明采用如下技术方案来实现的：
6.一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤1，先对钛合金基体进行打磨，再进行抛光处理；
8.步骤2，将经步骤1得到的钛合金基体依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗；
9.步骤3，将经步骤2得到的钛合金基体在鼓风干燥箱中进行烘干处理；
10.步骤4，在经过步骤3得到的钛合金表面均匀铺覆一层al箔；
11.步骤5，将经步骤4铺覆al箔的钛合金基板置于真空炉中，在高温下进行真空热处理使其完全熔融，使其均匀涂覆在钛合金基板表面；
12.步骤6，将经步骤5得到的钛合金基板在高温下氧化，使其表面生成一层al2o3；
13.步骤7，将经步骤6得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上sio2靶，采用直流溅射方式在钛合金表面镀覆sio2层；
14.步骤8，将步骤7中得到的钛合金基板在空气中进行热处理，sio2和al2o3反应生成莫来石，获得al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
15.本发明进一步的改进在于，步骤1中依次进行500#，1000#，1500#，2000#砂纸打磨，并用研磨膏进行抛光处理。
16.本发明进一步的改进在于，步骤2中，超声清洗时间为10～15min。
17.本发明进一步的改进在于，步骤3中，钛合金基板在鼓风干燥箱中的烘干温度为70～100℃，烘干时间为40～60min。
18.本发明进一步的改进在于，步骤4中，钛合金表面铺覆的铝箔的厚度为30～200μm。
19.本发明进一步的改进在于，步骤5中，在高温下进行真空热处理的温度为750～900℃，时间为0.5～1h。
20.本发明进一步的改进在于，步骤6中，在高温下进行氧化处理的温度为450～550℃，时间为1～2h。
21.本发明进一步的改进在于，步骤7中，sio2靶材的纯度为99.99％，本底真空度约为5
×
10-4
pa，沉积温度为500～600℃，腔体气压为10-3
～10-2
pa，偏压为250～350v，氩气流量为10～20ml/min，持续溅射时间为80～200min得到sio2层。
22.本发明进一步的改进在于，步骤8，在空气中氧化的温度为900～1100℃，时间为2～3h，得到al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
23.一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层，采用所述的制备方法制备得到。
24.本发明至少具有如下有益的技术效果：
25.1.本发明提供一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法，先使用熔融涂覆和氧化的方式得到al2o3层，再通过磁控溅射法镀覆一层sio2，最后经高温热处理后al2o3和表面的sio2反应后得到al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。上述制备方法巧妙地利用了金属al的易氧化性，以及人工加热铝硅酸盐的方法制得莫来石，使得整体制备工艺更为简单省时，有广泛的应用前景。
26.2.本发明提供一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法，采用涂覆熔渗、磁控溅射和原位反应相结合的方式制备防氧化涂层，与基体的结合力更强，获得的涂层更加致密。
27.3.本发明制备得到的al2o
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莫来石梯度防氧化涂层，不仅其层状结构明显，而且利用al2o3致密保护层和莫来石相(3al2o3·
2sio2)的高温稳定性来保护金属基体，从而获得更加优异高温抗氧化性。相比于单层al2o3涂层，al2o
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莫来石梯度防氧化涂层在800℃的氧化增重降低了2倍多，其抗氧化性能得到了极大的改善。
附图说明
28.图1是本发明制备的al2o
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莫来石梯度防氧化涂层的xrd图；
29.图2是本发明制备的al2o
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莫来石梯度防氧化涂层表面的横截面sem图；
30.图3是本发明制备的al2o
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莫来石梯度防氧化涂层在800℃的氧化增重图。
具体实施方式
31.下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，
32.本发明涉及一种al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法，具体按照以下步骤实施：
33.步骤1，先对钛合金基体利用500#，1000#，1500#，2000#砂纸依次进行机械打磨，并用研磨膏进行抛光处理；
34.步骤2，将经步骤1得到的钛合金基体依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗，超声清洗时间为10～15min；
35.步骤3，将经步骤2得到的钛合金基体在鼓风干燥箱中进行烘干处理，钛合金基板在鼓风干燥箱中的烘干温度为70～100℃，烘干时间为40～60min；
36.步骤4，在经过步骤3得到的钛合金表面均匀铺覆一层al箔，钛合金表面铺覆的铝箔的厚度为30～200μm；
37.步骤5，将经步骤4铺覆al箔的钛合金基板置于真空炉中，在高温下进行真空热处理使其完全熔融，使其均匀涂覆在钛合金基板表面，在高温下进行真空热处理的温度为750～900℃，时间为0.5～1h；
38.步骤6，将经步骤5得到的钛合金基板在高温下氧化，使其表面生成一层al2o3，在高温下进行氧化处理的温度为450～550℃，时间为1～2h；
39.步骤7，将经步骤6得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上sio2靶，采用直流溅射方式在钛合金表面镀覆sio2层；sio2靶材的纯度为99.99％，本底真空度约为5
×
10-4
pa，沉积温度为500～600℃，腔体气压为10-3
～10-2
pa，偏压为250～350v，氩气流量为10～20ml/min，持续溅射时间为80～200min得到sio2层；
40.步骤8，将步骤7中得到的钛合金基板在空气中进行热处理，sio2和al2o3反应生成莫来石，在空气中氧化的温度为900～1100℃，时间为2～3h，获得al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
41.实施例1
42.步骤1，先对钛合金基体利用500#，砂纸进行机械打磨，并用研磨膏进行抛光处理；
43.步骤2，将经步骤1得到的钛合金基体依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗，超声清洗时间为10min；
44.步骤3，将经步骤2得到的钛合金基体在鼓风干燥箱中进行烘干处理，钛合金基板在鼓风干燥箱中的烘干温度为70℃，烘干时间为40min；
45.步骤4，在经过步骤3得到的钛合金表面均匀铺覆一层al箔，钛合金表面铺覆的铝箔的厚度为30μm；
46.步骤5，将经步骤4铺覆al箔的钛合金基板置于真空炉中，在高温下进行真空热处理使其完全熔融，使其均匀涂覆在钛合金基板表面，在高温下进行真空热处理的温度为750℃，时间为0.5h；
47.步骤6，将经步骤5得到的钛合金基板在高温下氧化，使其表面生成一层al2o3，在高温下进行氧化处理的温度为450℃，时间为1h；
48.步骤7，将经步骤6得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上sio2靶，采用直流溅射方式在钛合金表面镀覆sio2层；sio2靶材的纯度为99.99％，本底真空度约为5
×
10-4
pa，沉积温度为500℃，腔体气压为10-3
pa，偏压为250v，氩气流量为10ml/min，持续溅射时间为80min得到sio2层；
49.步骤8，将步骤7中得到的钛合金基板在空气中进行热处理，sio2和al2o3反应生成莫来石，在空气中氧化的温度为900℃，时间为2h，获得al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
50.实施例2
51.步骤1，先对钛合金基体利用1000#，砂纸进行机械打磨，并用研磨膏进行抛光处理；
52.步骤2，将经步骤1得到的钛合金基体依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗，超声清洗时间为12min；
53.步骤3，将经步骤2得到的钛合金基体在鼓风干燥箱中进行烘干处理，钛合金基板在鼓风干燥箱中的烘干温度为80℃，烘干时间为45min；
54.步骤4，在经过步骤3得到的钛合金表面均匀铺覆一层al箔，钛合金表面铺覆的铝箔的厚度为90μm；
55.步骤5，将经步骤4铺覆al箔的钛合金基板置于真空炉中，在高温下进行真空热处理使其完全熔融，使其均匀涂覆在钛合金基板表面，在高温下进行真空热处理的温度为800℃，时间为0.6h；
56.步骤6，将经步骤5得到的钛合金基板在高温下氧化，使其表面生成一层al2o3，在高温下进行氧化处理的温度为480℃，时间为1.3h；
57.步骤7，将经步骤6得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上sio2靶，采用直流溅射方式在钛合金表面镀覆sio2层；sio2靶材的纯度为99.99％，本底真空度约为5
×
10-4
pa，沉积温度为530℃，腔体气压为10-3
pa，偏压为280v，氩气流量为13ml/min，持续溅射时间为120min得到sio2层；
58.步骤8，将步骤7中得到的钛合金基板在空气中进行热处理，sio2和al2o3反应生成莫来石，在空气中氧化的温度为950℃，时间为2.3h，获得al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
59.实施例3
60.步骤1，先对钛合金基体利用1500#，砂纸进行机械打磨，并用研磨膏进行抛光处理；
61.步骤2，将经步骤1得到的钛合金基体依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗，超声清洗时间为13min；
62.步骤3，将经步骤2得到的钛合金基体在鼓风干燥箱中进行烘干处理，钛合金基板在鼓风干燥箱中的烘干温度为90℃，烘干时间为55min；
63.步骤4，在经过步骤3得到的钛合金表面均匀铺覆一层al箔，钛合金表面铺覆的铝箔的厚度为140μm；
64.步骤5，将经步骤4铺覆al箔的钛合金基板置于真空炉中，在高温下进行真空热处理使其完全熔融，使其均匀涂覆在钛合金基板表面，在高温下进行真空热处理的温度为850℃，时间为0.8h；
65.步骤6，将经步骤5得到的钛合金基板在高温下氧化，使其表面生成一层al2o3，在高温下进行氧化处理的温度为520℃，时间为1.7h；
66.步骤7，将经步骤6得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上sio2靶，采用直流溅射方式在钛合金表面镀覆sio2层；sio2靶材的纯度为99.99％，本底真空度约为5
×
10-4
pa，沉积温度为570℃，腔体气压为10-2
pa，偏压为320v，氩气流量为17ml/min，持续溅射时间为160min得到sio2层；
67.步骤8，将步骤7中得到的钛合金基板在空气中进行热处理，sio2和al2o3反应生成
莫来石，在空气中氧化的温度为1050℃，时间为2.7h，获得al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
68.实施例4
69.步骤1，先对钛合金基体利用2000#砂纸进行机械打磨，并用研磨膏进行抛光处理；
70.步骤2，将经步骤1得到的钛合金基体依次使用无水乙醇和去离子水进行超声清洗，超声清洗时间为15min；
71.步骤3，将经步骤2得到的钛合金基体在鼓风干燥箱中进行烘干处理，钛合金基板在鼓风干燥箱中的烘干温度为100℃，烘干时间为60min；
72.步骤4，在经过步骤3得到的钛合金表面均匀铺覆一层al箔，钛合金表面铺覆的铝箔的厚度为200μm；
73.步骤5，将经步骤4铺覆al箔的钛合金基板置于真空炉中，在高温下进行真空热处理使其完全熔融，使其均匀涂覆在钛合金基板表面，在高温下进行真空热处理的温度为900℃，时间为1h；
74.步骤6，将经步骤5得到的钛合金基板在高温下氧化，使其表面生成一层al2o3，在高温下进行氧化处理的温度为550℃，时间2h；
75.步骤7，将经步骤6得到的基体置于磁控溅射仪的样品台上，在靶基座上装上sio2靶，采用直流溅射方式在钛合金表面镀覆sio2层；sio2靶材的纯度为99.99％，本底真空度约为5
×
10-4
pa，沉积温度为600℃，腔体气压为10-2
pa，偏压为350v，氩气流量为20ml/min，持续溅射时间为200min得到sio2层；
76.步骤8，将步骤7中得到的钛合金基板在空气中进行热处理，sio2和al2o3反应生成莫来石，在空气中氧化的温度为1100℃，时间为3h，获得al2o
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莫来石梯度防氧化涂层。
77.本发明提供了一种钛合金用al2o
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莫来石梯度防氧化涂层及其制备方法，采用涂覆熔渗、磁控溅射和原位反应相结合的方式制备防氧化涂层，不仅利用了al活泼的化学性质和形成的al2o3致密保护层来提高钛合金基体的抗氧化性；同时原位反应生成的莫来石相(3al2o3·
2sio2)具有更好的高温稳定性；而且涂层与基体的结合力更强，获得的涂层更加致密。
78.通过al2o
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莫来石梯度防氧化涂层的xrd图可以看出，涂层中除了al2o3和莫来石之外，还存在少量的sio2，不存在其他杂质，整体反应较为完全，涂层性能较为良好，如图1所示；通过al2o
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莫来石梯度防氧化涂层横截面的sem图可以看出涂层融化程度高，涂层表面均匀致密，无明显缺陷，复合涂层各层之间结合紧密且与基体结合良好，如图2所示。
79.图3是本发明制备的al2o
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莫来石梯度防氧化涂层在800℃的氧化增重图，如图所示，随着氧化时间的延长涂层的氧化增重逐渐趋于平缓。相比于单层al2o3涂层，al2o
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莫来石梯度防氧化涂层在800℃的氧化增重降低了2倍多，其抗氧化性能得到了极大的改善。