鈦合金抗高溫氧化涂層的制備及性能研究.pdf

1、鈦合金因其比強(qiáng)度、比剛度高，耐腐蝕、高溫力學(xué)、疲勞和蠕變等性能優(yōu)良的特點，近年來，在航空航天飛行器、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛，在汽車、醫(yī)療、化工和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。但是鈦合金在高溫下易氧化的特點嚴(yán)重制約了其在高溫領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。傳統(tǒng)的TiAl3涂層制備方法均利用Ti-Al原位反應(yīng)來生成。本文首次使用TiAl3粉末和Al粉末為原料，通過低溫超音速火焰噴涂技術(shù)在TC4基體直接沉積了TiAl3涂層以及TiAl3-A

2、l復(fù)合涂層;研究了700℃靜態(tài)氧化狀態(tài)下涂層的高溫防護(hù)性能，通過SEM、XRD、EDS等方法對涂層的結(jié)構(gòu)和相等特征進(jìn)行了表征，探討了涂層失效機(jī)理，并研究了涂層對高溫氧化后基體材料力學(xué)性能的影響。
　　采用低溫超音速火焰噴涂技術(shù)在TC4鈦合金基體表面制備了Al涂層，通過610℃，8h真空熱處理獲得TiAl3-Al復(fù)合涂層。經(jīng)700℃靜態(tài)氧化500h后，涂層依然完好。涂層表面主要相組成為Al2O3相和少量的TiO2相。
　　為了

3、降低涂層與基體的互擴(kuò)散，直接采用TiAl3粉末作為噴涂原料制備了TiAl3涂層。由于TiAl3室溫韌性、塑性較差，為了改善涂層的變形能力，在TiAl3粉末中加入Al粉，在TC4鈦合金基體上制備了不同Al含量的TiAl3-Al復(fù)合涂層。制備的TiAl3涂層結(jié)構(gòu)致密，含氧量低，經(jīng)1000h氧化后，涂層表面生成一層致密的針狀A(yù)l2O3氧化膜，膜層中含有少量TiO2顆粒。制備的兩種不同Al含量的TiAl3-Al復(fù)合涂層均具有致密性好、含氧量低的

4、特點，涂層內(nèi)部中的Al發(fā)生偏聚，且噴涂粉末中的Al粉含量越高，涂層中Al偏聚越嚴(yán)重。TiAl3-8Al涂層經(jīng)1000h靜態(tài)氧化后，涂層表面氧化膜由Al2O3和TiO2組成。TiAl3-20Al涂層經(jīng)500h靜態(tài)氧化后，涂層表面氧化膜由較多的TiO2和Al2O3組成。TiAl3-Al復(fù)合涂層中Al含量越高，涂層的氧化速率越快。
　　TiAl3涂層的失效機(jī)理主要是由于隨著氧化的進(jìn)行，涂層中Al的消耗使得涂層表面逐漸出現(xiàn)TiO2,而Ti

5、O2顆粒打斷了Al2O3氧化膜的連續(xù)性，使陽氣進(jìn)入涂層內(nèi)部，隨著涂層內(nèi)部氧化物增多，最終導(dǎo)致涂層發(fā)生剝落失效。TiAl3-Al復(fù)合涂層失效機(jī)理主要是由于涂層中Al偏聚造成了大量擴(kuò)散通道，Al2O3氧化膜無法完全封閉這些通道，使得Al不斷向外擴(kuò)散，而涂層外的氧不斷向內(nèi)擴(kuò)散，熔化的Al也加速 Al的擴(kuò)散，這些擴(kuò)散導(dǎo)致涂層內(nèi)部生成了大量的氧化物，受氧化物的生長應(yīng)力影響，涂層沿著擴(kuò)散通道逐漸剝落失效。
　　將沉積涂層的試樣經(jīng)700℃靜態(tài)氧

6、化120h后進(jìn)行拉伸力學(xué)試驗，結(jié)果表明沉積了涂層的試樣經(jīng)高溫氧化后屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均比無涂層試樣有所下降，這是由于基體前處理使得表面粗糙度增加而造成的;而TiAl3-8Al涂層試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均比原位反應(yīng)生成TiAl3-Al復(fù)合涂層試樣略高，說明Ti-Al的互擴(kuò)散反應(yīng)對基體的力學(xué)性能會產(chǎn)生不利影響。在拉伸過程中，原位反應(yīng)生成的TiAl3-Al涂層試樣表面涂層全部崩落，而TiAl3-8Al涂層試樣表面涂層依然完好，說明直接沉積制