本发明涉及汽车与飞机零件表面防护技术领域，具体涉及一种γ-TiAl合金表面高温防护涂层及其制备方法。
背景技术：
γ-TiAl合金的优异高温性能使其成为国家重大科技专项大飞机发动机压气机轮盘、叶片等部件的候选材料，也是近空间高超声速飞行器外面板的重要备选材料。然而γ-TiAl合金也存在一些性能上的缺陷使得其应用受到限制，其中最突出的问题是高温抗氧化性能严重不足。大量的研究与试验表明，在超过800℃的高温下，γ-TiAl合金的抗氧化性能急剧下降。同时，由于高温下N、O原子的渗入，合金易产生次表层脆化现象，从而导致γ-TiAl合金的热稳定性、持久强度、蠕变抗力及疲劳强度等力学性能大大降低。因此，目前γ-TiAl合金的有效使用温度不超过800℃，不能满足高超音速飞行器外的工作要求[10]。为了尽快满足航空航天以及国防军工等部门对轻比重、高性能的高温结构材料的迫切需求，γ-TiAl合金的高温抗氧化性能的提高与解决已成为关键的工程问题之一，若能使γ-TiAl合金的高温抗氧化温度提高到900~1100℃，对新一代战斗机、高超音速飞行器的减重及性能提高具有十分重要的意义。
在保持γ-TiAl合金整体力学性能的前提下提高其抗高温氧化性能，最有效的方法便是在合金表面制备抗氧化性优良的保护涂层。在γ-TiAl合金表面溅射或喷涂制备的CoCrAlY和NiCrAlY热障涂层，能够显著提高γ-TiAl的抗氧化性能。但是在高温下MCrAlY合金涂层与基体间将产生互扩散，界面产生Kirkedall孔洞并析出硬脆相，严重降低结合强度和基体材料的疲劳性能（Z. L. Tang, F. H. Wang and W. T.Surf. Coat. Technol., 1998, 99: 248-252）。多层结构涂层增加了界面数，有利于阻碍氧元素向基体的内扩散，从而延长涂层的使用寿命，如：Corrosion Science杂志2014年第80卷19-27页报道的在8Nb-TiAl合金表面制备(Al2O3+Y2O3)/YSZ多层膜一文就提到了这一观点，然而(Al2O3+Y2O3)/YSZ多层膜在长时间高温服役的条件下易出现的裂纹扩散情况限制了其进一步的研发和应用。
为了尽快满足航空航天等领域对轻比重、高性能的高温结构材料的迫切需求，如何提高γ-TiAl合金的高温抗氧化性能已成为关键的工程问题之一。
技术实现要素：
本发明目的是针对现有技术的不足，提供了一种γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层，并提供其制备方法，以提高γ-TiAl合金的抗高温氧化性能。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层，包括表层(Al2O3+Y2O3)陶瓷层和次表层AlSiY合金层，表层和次表层通过冶金连接，次表层与基体γ-TiAl合金通过冶金连接，其中，自(Al2O3+Y2O3)陶瓷层表面向基体γ-TiAl合金表面方向，O元素含量呈梯度下降，Al和Y元素含量呈梯度上升，Ti元素含量呈梯度上升。
进一步的， (Al2O3+Y2O3)陶瓷层和AlSiY合金层分别由(Al2O3+Y2O3)纳米颗粒和AlSiY合金颗粒组成。
进一步的，(Al2O3+Y2O3)陶瓷厚度为15~30μm。
进一步的，AlSiY合金层的厚度为15~30μm。
上述防护涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，将基体γ-TiAl合金置于工件台上，在溅射源上分别装上AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶，对基体γ-TiAl合金先后进行AlSiY膜层和(Al2O3+Y2O3)膜层溅射镀膜处理，其中表层为(Al2O3+Y2O3)陶瓷层，次表层为AlSiY合金层，直至达到所需厚度，其具体步骤如下：
1）将基体γ-TiAl合金与溅射靶材装入磁控溅射装置中，γ-TiAl合金置于试样台上， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分别装入不同的溅射源枪套中；
2）抽真空至3×10-5Pa以下，送入氩气，点击AlSiY合金靶溅射电源，调试工艺参数至：
溅射功率：350~500W；
工作气压：0.3~0.5Pa；
基体与靶材间距：15~20mm；
溅射时间：10~30min；
随后，调试工艺参数至：
溅射功率：150~200W；
工作气压：0.3~0.5Pa；
基体与靶材间距：25~40mm；
溅射时间：2~4h；
随后，再调试工艺参数至：
溅射功率：500~600W；
工作气压：0.3~0.5Pa；
基体与靶材间距：15~20mm；
溅射时间：10~30min；
3）关闭AlSiY合金靶溅射电源，开启(Al2O3+Y2O3)陶瓷靶溅射电源，调试工艺参数为：
溅射功率：350~500W；
工作气压：0.3~0.5Pa；
基体与靶材间距：15~20mm；
溅射时间：10~30min；
随后，调试工艺参数至：
溅射功率：250~300W；
工作气压：0.3~0.5Pa；
基体与靶材间距：25~40mm；
溅射时间：2~4h；
随后，再调试工艺参数至：
溅射功率：500~600W；
工作气压：0.3~0.5Pa；
基体与靶材间距：15~20mm；
溅射时间：10~30min；
4）关闭电源，空置设备2~5h，使试样自然冷却；
5）破真空，取样。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）纳米梯度结构涂层中的元素成分、组织结构的梯度分度有效地减弱了因成分与结构突变造成的高温环境下的应力集中、涂层结合力减弱的情况。
2）AlSiY合金层中Al、Y和Si元素能够为(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层提高一定的自修复性能，从而达到延长涂层使用寿命的目的。
3）涂层采用磁控溅射技术制备，即对(Al2O3+Y2O3)靶材和AlSiY靶材分别进行溅射，通过工作气压、溅射功率、以及靶材-基体间距的调节与控制，在基体γ-TiAl合金表面形成(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层。该方法效率高、工艺简单，且制备的高温防护涂层结构致密、性能优良。
附图说明
图1为γ-TiAl合金表面(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层表面SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。但对于本领域技术人员来说，完全可以在具体实施方式所列数值的基础上进行合理的概括和推导。
实施例一：
1）将基体γ-TiAl合金与溅射靶材装入磁控溅射装置中，γ-TiAl合金置于试样台上， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分别装入不同的溅射源枪套中；
2）抽真空至2×10-5Pa，送入氩气，点击AlSiY合金靶溅射电源，调试工艺参数至：
溅射功率：400W；
工作气压：0.4Pa；
基体与靶材间距：15mm；
溅射时间：20min；
使基体γ-TiAl合金表面活化、能量升高，并留下一定的空位。随后，调试工艺参数至：
溅射功率：150W；
工作气压：0.4Pa；
基体与靶材间距：30mm；
溅射时间：3h；
形成AlSiY合金层的主体部分。随后，再调试工艺参数至：
溅射功率：500W；
工作气压：0.4Pa；
基体与靶材间距：15mm；
溅射时间：20min；
增加AlSiY合金层与基体γ-TiAl合金的结合强度。
3）关闭AlSiY合金靶溅射电源，开启(Al2O3+Y2O3)陶瓷靶溅射电源，调试工艺参数为：
溅射功率：400W；
工作气压：0.4Pa；
基体与靶材间距：15mm；
溅射时间：30min；
使AlSiY合金层表面活化、能量升高，并留下一定的空位。随后，调试工艺参数至：
溅射功率：300W；
工作气压：0.4Pa；
基体与靶材间距：30mm；
溅射时间：3h；
形成(Al2O3+Y2O3)陶瓷层的主体部分。随后，再调试工艺参数至：
溅射功率：500W；
工作气压：0.4Pa；
基体与靶材间距：15mm；
溅射时间： 30min；
增加(Al2O3+Y2O3)陶瓷层与AlSiY合金层的结合强度。
4）关闭电源，空置设备5h，使试样自然冷却。
5）破真空，取样。
所制得(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层表面形貌如图1，制得的涂层均匀致密，无裂纹、孔洞等缺陷，其总厚度达到50μm，其中(Al2O3+Y2O3)陶瓷层厚20μm，AlSiY合金层厚30μm。在1200°C下高温氧化实验200h后，涂层依然保持完好、致密，未出现剥落、开裂等现象，其氧化增重值为6.1mg/cm2，较基体γ-TiAl合金的氧化增重值109.3mg/cm2有了明显的下降。
实施例二：
1）将基体γ-TiAl合金与溅射靶材装入磁控溅射装置中，γ-TiAl合金置于试样台上， AlSiY陶瓷靶和(Al2O3+Y2O3)合金靶分别装入不同的溅射源枪套中；
2）抽真空至1×10-5Pa，送入氩气，点击AlSiY合金靶溅射电源，调试工艺参数至：
溅射功率：350W；
工作气压：0.3Pa；
基体与靶材间距：20mm；
溅射时间：20min；
使基体γ-TiAl合金表面活化、能量升高，并留下一定的空位。随后，调试工艺参数至：
溅射功率：150W；
工作气压：0.3Pa；
基体与靶材间距：30mm；
溅射时间：2h；
形成AlSiY合金层的主体部分。随后，再调试工艺参数至：
溅射功率：500W；
工作气压：0.3Pa；
基体与靶材间距：20mm；
溅射时间：20min；
增加AlSiY合金层与基体γ-TiAl合金的结合强度。
3）关闭AlSiY合金靶溅射电源，开启(Al2O3+Y2O3)陶瓷靶溅射电源，调试工艺参数为：
溅射功率：350W；
工作气压：0.3Pa；
基体与靶材间距： 20mm；
溅射时间：20min；
使AlSiY合金层表面活化、能量升高，并留下一定的空位。随后，调试工艺参数至：
溅射功率：250W；
工作气压：0.3Pa；
基体与靶材间距：30mm；
溅射时间：2h；
形成(Al2O3+Y2O3)陶瓷层的主体部分。随后，再调试工艺参数至：
溅射功率：500W；
工作气压：0.3Pa；
基体与靶材间距： 20mm；
溅射时间：20min；
增加(Al2O3+Y2O3)陶瓷层与AlSiY合金层的结合强度。
4）关闭电源，空置设备2~5h，使试样自然冷却。
5）破真空，取样。
所制得(Al2O3+Y2O3)/AlSiY纳米梯度结构高温防护涂层均匀致密，无裂纹、孔洞等缺陷，其总厚度达到40μm，其中(Al2O3+Y2O3)陶瓷层厚15μm，AlYMoSi合金层厚25μm。在1300°C下高温氧化实验100h后，涂层依然保持完好、致密，未出现剥落、开裂等现象，其氧化增重值为9.4mg/cm2，较基体γ-TiAl合金的氧化增重值89.7mg/cm2有了明显的下降。