鈦合金表面熱障涂層的制備與研究.pdf

1、α+β型高溫鈦合金以其優(yōu)秀的比強度和600℃以下的良好高溫表現(xiàn),成為航空航天領域最廣泛應用的材料之一。但兩類問題的存在阻礙了其高溫下力學性能的發(fā)揮:1、高溫、腐蝕性的外部環(huán)境會導致鈦合金表面氧化、近表面脆化；2、高溫下鈦合金組織穩(wěn)定性下降,長時間熱暴露后析出脆性有序相,降低鈦合金室溫塑性和斷裂韌性。在鈦合金表面沉積兼具抗氧化、隔熱性能的熱障涂層(Thermal Barrier Coating,TBC)可以同時解決上述兩類問題,拓寬傳統(tǒng)鈦

2、合金的服役溫度和范圍,提升效率、節(jié)約能源。
　　 本論文首先研究了鈦合金表面以NiCoCrAlY為粘結層(Bond Coating,BC),8wt.％Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(8YSZ)為陶瓷隔熱層的傳統(tǒng)雙層熱障涂層的高溫行為及失效機理。在這基礎上,本論文提出了一種適合鈦合金的新型的抗氧化粘結層材料TiAlAg合金及其高效的熱噴涂制備方法。最后,本研究在TiAlAg表面使用電子束物理氣相沉積(Electron Beam-Phy

3、sical Vapour Deposition,EB-PVD)沉積了8YSZ陶瓷層,構成了以TiAlAg為粘結層、8YSZ為隔熱層的適合鈦合金基體的新型熱障涂層,并觀察和研究了其高溫行為和失效機理。論文中使用了改進的ASTM定向拉拔、熱循環(huán)和等溫靜置等實驗方法以及光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射儀(XRD)、顯微壓痕等分析手段,配合有限元模擬技術,系統(tǒng)的研究了傳統(tǒng)和新型熱障涂層的高溫行為規(guī)律和失效機理。本研究主要內容

4、和結論如下:
　　 一、分別用EB-PVD和超音速火焰噴涂(High Velocity Oxyfuel Spraying,HVOF)在鈦合金表面沉積NiCoCrAlY并統(tǒng)一以EB-PVD在表面沉積8YSZ陶瓷層,制備了傳統(tǒng)熱障涂層并研究了其高溫行為:
　　 1.鈦合金表面EB-PVD沉積的NiCoCrAlY致密均勻,與基體結合緊密,“陰影效應”導致其表面EB-PVD陶瓷層組織細密,硬度高,力學性能好,因而系統(tǒng)熱循環(huán)性能較

5、好,800℃實驗35min×220后表面基本觀察不到宏觀裂紋,但等溫靜置性能由于過早形成有害的擴散層而表現(xiàn)較差,800℃壽命少于24h；而HVOF沉積的NiCoCrAlY疏密不均,與基體結合界面充滿微觀缺陷,其上層EB-PVD陶瓷層晶粒粗大,柱狀晶間結合疏松,顯微硬度較低,力學性能差,因而系統(tǒng)熱循環(huán)性能較差而等溫靜置性能由于缺陷對于有害擴散的阻礙而表現(xiàn)較好,800℃壽命大于36h。
　　 2.Ni基粘結層與Ti基基體間化學性能不

6、匹配是鈦合金表面?zhèn)鹘y(tǒng)熱障涂層高溫下快速失效的本質因為:高溫下粘結層內Ni、Co等元素向基體內部急劇擴散,短時期內生成150-300μm厚的擴散層。擴散層主要物質為。Ti2Ni(2Ti+Ni→Ti2Ni),該相室溫硬度較高(700-850HV)而高溫力學性能較差。由于NiCoCrAlY與基體間線膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)相差懸殊,室溫時系統(tǒng)最大徑向拉應力高達～750MPa,軸向拉應

7、力達～154MPa,高溫時徑向與軸向拉應力高達20～40MPa。在熱應力作用下,系統(tǒng)粘結層產生縱向裂紋,擴散層產生橫向裂紋,導致基體直接暴露于外界環(huán)境而失效。
　　 二、通過低壓等離子噴涂(Low Pressure Plasma Spray,LPPS)和惰性氣體保護預處理技術在鈦合金表面原位制備Ti-Al-Ag三元合金粘結層,并研究其抗氧化性能:
　　 1.將市售γ-TiAl(粒徑～75μm)和Ag粉(～50μm)混合,

8、濕法球磨獲得γ-TiAl粒徑為0.1～10μm,Ag粒徑～10μm的混合粉體。通過低壓等離子噴涂將噴霧干燥法獲得的熱噴涂用混合粉體沉積于基體,試樣于真空熱處理爐由惰性氣體Ar保護,820℃熱處理5h后獲得單質Ag溶于γ-TiAl基體內形成的Ti-Al-Ag三元涂層,其內檢測到明顯Z相(Al3Ti5O2)。
　　 2.750～800℃氧化長達100h,三元涂層外表面形成以α-Al2O3為基的氧化膜,表面局部突起TiO2顆粒,隨著A

9、g的增加TiO2顆粒逐漸從穿越富Al氧化膜轉變?yōu)檎掣接诟籄l氧化膜表面,表面氧化膜內Al2O3含量約為TiO2的3倍。含4at.％Ag的涂層具有最好的抗氧化性能:700℃時100h氧化增重約為0.8mg/cm2,800℃時其100h氧化增重約為1.0mg/cm2。Ag帶來的抗氧化作用可能是由于其降低了表面氧化膜中的θ-Al2O3向α-Al2O3相變所需要的能量,提高了相變速度所致。Ag的加入還增強了涂層抗剝落能力、降低了涂層表面粗糙度、

10、減小了氧化膜厚度,減少了涂層內的內氧化率。
　　 三、在TiAlAg涂層表面使用EB-PVD技術沉積了8YSZ陶瓷,構成了適合鈦合金基體的新型熱障涂層,并研究了其高溫行為:
　　 1.800～850℃高溫下等溫靜置100h后,TGO始終保持富Al特性:定向拉拔實驗斷裂面隨著TGO與面層的結合程度的增加從面層/粘結層界面附近,轉向深入粘結層內部,最后由于TGO的生長減緩,斷裂面又恢復至面層/粘結層界面附近；熱循環(huán)導致在陶瓷

11、層表面萌生垂直于熱障涂層界面的縱向裂紋,但由于新型粘結層與基體的較好匹配性,裂紋擴展至粘結層即不再前進,使得粘結層與基體的界面成為系統(tǒng)中最為穩(wěn)定的部位。
　　 2.新型熱障涂層的高溫失效源于TGO的熱噴涂本征缺陷,高溫長期服役中的熱應力又進一步降低了其致密度,由于外界氣氛的長期滲透,在粘結層次表面富Ti區(qū)或更深部位生成低強度的Ti/Al混合氧化膜,一旦受到面外拉應力后即在粘結層近面層/粘結層界面處產生橫向層狀分離,導致了粘結層的