【摘要】：钛合金由于其高比强度和优异的抗海洋环境腐蚀的特点在航空航天等领域得到广泛的应用,但其抗高温氧化性能差,容易燃烧形成钛火,使其只能在低温下应用。然而部分军工所用特殊钛合金部件需要在高温下使用,仅仅从合金基体成分改进钛合金的使用温度有限,在一些特殊情况下需要钛合金件具有一定的隔热效果,采用表面涂层保护是一种经济实用的方法。本文以某尾喷管及叶片等受热部件为研究背景,选用TC4钛合金(Ti6Al4V)为研究对象,提出了利用钛合金表面微弧氧化近基体致密内层作为抗高温氧化层,利用微弧氧化多孔外层作为粘结层,在其表面制备等离子喷涂钇稳氧化锆(YSZ)为隔热层,构成新型抗氧化隔热复合涂层。目的在于提高钛合金基体的抗氧化和隔热性能,这对于提高钛合金的使用温度和解决某些特殊工况对钛合金的要求具有极其重要的理论意义和工程实用价值。本文首先针对微弧氧化阻氧粘结层开展系列研究,目的在于制备具有最为优异抗氧化性能的微弧氧化涂层。首先选用单一磷酸盐作为电解液,利用正交试验研究了微弧氧化的电压、时间、电解液浓度对涂层组织结构及性能的影响规律。开展了钛合金表面微弧氧化阻氧层的氧化动力学分析,建立了在磷酸盐电解液体系下钛合金表面微弧氧化膜层生长模型,丰富了钛合金表面微弧氧化涂层生长机理。利用回归分析法建立了用磷酸盐电解液体系制备微弧氧化陶瓷涂层工艺参数与氧化增重(抗高温氧化性能)之间的2次函数数学模型。在优化的电解参数基础上,向电解液中分别添加不同含量的ZrO2、Al2O3陶瓷颗粒制备了ZrO2/ZrTiO4复合陶瓷涂层以及以Al2T1O5为主晶相的复合陶瓷涂层。系统地研究了微弧氧化涂层组织结构、表面粗糙度、抗氧化性和热震性、耐磨性以及涂层与基体结合力,分析比较了添加粉体前后涂层的氧化动力学特性,用Wagner氧化理论拟合获得了氧化动力学方程。结果表明：添加粉体制备的复合涂层比单一不加粉体的微弧氧化涂层具有更为致密的涂层结构,更为优异的抗高温氧化和热震特性,更好的耐磨特性及更高的涂层结合力。加入到电解液中的陶瓷颗粒被吸入熔融态陶瓷中后成为凝固核心,加速凝固过程,减少微弧孔数量；陶瓷颗粒熔入陶瓷后由于其体积效应致涂层更为致密,体现出更为优异的性能。采用等离子喷涂在上述改性的微弧氧化涂层表面制备钇稳氧化锆(YSZ)涂层。对微弧氧化涂层/YSZ复合涂层组织结构、抗高温氧化性能、隔热性能展开了系统研究。结果表明微弧氧化涂层与YSZ涂层间紧密结合,结合强度高；在700℃,200h条件下TMPAL-YSZ较传统MCrAlY-YSZ涂层具有更好的抗氧化性能,高温氧化后涂层与基体之间无元素互扩散。利用隔热试验,在第三类边界条件下对一维无内热源瞬态导热微分方程计算,利用Ansys软件进行了一维热分析对复合涂层隔热性能进行综合表征。微弧氧化涂层作为阻氧层封闭层,在高温条件下具有较好抗氧化性能,高温氧化后涂层与基体之间无元素互扩散;其表面显著的“火山口”结构特点,有助于其与等离子喷涂隔热YSZ涂层实现铆合,从而可实现在不影响基体力学性能的基础上提高钛合金抗氧化隔热性能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
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