TC4钛合金微弧氧化-溶胶凝胶复合涂层的制备及其抗高温氧化性能

发布时间：2019-07-12 09:40

【摘要】：为了提高钛合金的使用温度,设计并制备了一种微弧氧化(MAO)-氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的陶瓷复合涂层。采用微弧氧化(MAO)技术在TC4钛合金基体表面原位生长出一层氧化铝陶瓷层(TM涂层),然后采用溶胶-凝胶法(Sol-gel)在MAO层的基础上制备低导热系数的钇稳定氧化锆(YSZ)涂层,最终制备出MAO-YSZ复合涂层(TMY复合涂层)。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析涂层的相结构、组织形貌和成分,并测定了TC4、TM涂层以及TMY复合涂层在700℃下的氧化动力学曲线。结果表明:TMY复合涂层外层以ZrO2为主,内层主要为Al2O3。具有TMY复合涂层的钛合金在700℃下氧化100h后其氧化增重仅为无涂层钛合金的14%,说明TMY复合涂层可以显著提高钛合金的抗高温氧化性能与使用温度。
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图３涂层的循环氧化动力学曲线Ｆｉｇ．３Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓ

图片说明：中国表面工程２０１５年及氧化增重。由图３可知：钛合金在７００℃循环热氧化后，其氧化增重量基本是一条直线，符合氧化直线规律，而微弧氧化和微弧氧化后溶胶－凝胶复合处理的试样，７００℃氧化后氧化增重曲线斜率在前４０ｈ时基本重合，但其斜率远比钛合金低；４０ｈ后，具有ＴＭ涂层的钛合金试样的增重曲线斜率开始比具有ＴＭＹ复合涂层的试样增加；到９０ｈ后，微弧氧化钛合金的增重开始迅速增加，而ＴＭＹ复合涂层处理试样即使到１００ｈ，，其氧化动力学曲线斜率依旧不变。可以看出ＴＭ涂层以及ＴＭＹ复合涂层均可以在７００℃减少对基体的氧化。循环氧化１００ｈ后，制备的ＴＭ涂层以及ＴＭＹ复合涂层的试样氧化增重均比ＴＣ４钛合金试样的氧化增重有不同程度的减少，根据增重量除以原始重量得到的氧化增重可以得到：ＴＭ涂层试样热氧化增重仅为ＴＣ４试样的３２％，具有ＴＭＹ复合涂层的试样氧化增重仅为ＴＣ４试样的１４％，表明复合涂层可以提高钛合金抗高温氧化的能力。图３涂层的循环氧化动力学曲线Ｆｉｇ．３Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓ图４涂层的氧化增重率Ｆｉｇ．４Ｒａｔｅｏｆｔｈｅｏｘｉｄｅｗｅｉｇｈｔｇａｉｎｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓ结合氧化前后试样的ＸＲＤ衍射图谱进行分析，可以看出ＴＭ涂层对于ＴＣ４钛合金的高温氧化有一定的抑制作用，但是在高温氧化过程中也在不断的被氧化；而ＴＭＹ复合涂层可以有效的减少基体的被氧化，从而达到保护基体的作用。３结论（１）钛合金通过偏铝酸钠电解液微弧氧
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图４涂层的氧化增重率Ｆｉｇ．４Ｒａｔｅｏｆｔｈｅｏｘｉｄｅｗｅｉｇｈｔｇａｉｎｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓ

图片说明：００℃减少对基体的氧化。循环氧化１００ｈ后，制备的ＴＭ涂层以及ＴＭＹ复合涂层的试样氧化增重均比ＴＣ４钛合金试样的氧化增重有不同程度的减少，根据增重量除以原始重量得到的氧化增重可以得到：ＴＭ涂层试样热氧化增重仅为ＴＣ４试样的３２％，具有ＴＭＹ复合涂层的试样氧化增重仅为ＴＣ４试样的１４％，表明复合涂层可以提高钛合金抗高温氧化的能力。图３涂层的循环氧化动力学曲线Ｆｉｇ．３Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓ图４涂层的氧化增重率Ｆｉｇ．４Ｒａｔｅｏｆｔｈｅｏｘｉｄｅｗｅｉｇｈｔｇａｉｎｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓ结合氧化前后试样的ＸＲＤ衍射图谱进行分析，可以看出ＴＭ涂层对于ＴＣ４钛合金的高温氧化有一定的抑制作用，但是在高温氧化过程中也在不断的被氧化；而ＴＭＹ复合涂层可以有效的减少基体的被氧化，从而达到保护基体的作用。３结论（１）钛合金通过偏铝酸钠电解液微弧氧化后可以得到１０μｍ左右的多孔的ＴＭ涂层，该涂层由α－Ａｌ２Ｏ３和Ａｌ２ＴｉＯ５组成；该涂层具有一定的抗氧化特性。（２）钛合金微弧氧化再经溶胶－凝胶循环提拉的方式，可以得到１００μｍ厚的致密ＴＭＹ复合涂层，该涂层镶嵌在微弧氧化层中，与微弧氧化层结合较好，同时该复合涂层具有很好的抗高温氧化特性，在７００℃循环氧化１００ｈ后，复合涂层试样ＴＭＹ的氧化增重不到ＴＣ４试样的１５％。参考文献［１］张喜燕，赵永庆，白晨光．钛合金及应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５．Ｚｈａ
【作者单位】：北京科技大学新材料技术研究院;北京科技大学北京市腐蚀、磨蚀与表面技术重点试验室;
【基金】：国家自然科学基金(51271030)
【分类号】：TG174.4

【参考文献】