钛合金表面抗高温氧化涂层的研究进展
发布时间：2020-12-21 17:07
钛合金在制造航空航天发动机等关键部件方面具有重要的应用价值,但高温性能不稳定是制约其发展前景的主要原因。采用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐高温涂层,是在不改变钛合金材料整体性能的前提下赋予材料表面特殊性能的重要途径。首先介绍了钛合金的氧化行为,并简要分析了钛合金在氧化过程中的氧化特点及失效形式,指明其改善途径。随后总结分析了目前常用的镍基高温涂层、TiAl系高温涂层和高熵合金高温涂层的研究现状,其中镍基合金涂层具有较高的结合强度、良好的耐磨性和优异的耐蚀性,但由于涂层与基体中元素的扩散速率不同导致的差异,造成柯肯达尔空洞的产生,涂层变得不稳定,涂层与基体的结合强度降低。TiAl基合金的高温性能与镍基高温合金相近,且密度小,有代替镍基合金的发展趋势,其涂层表面可以生成均匀致密的Al2O3氧化膜,并且与钛合金基体间的化学成分差异小,基本不发生互扩散现象。但二元TiAl系涂层对于Al的用量有严格的要求,当其使用温度超过850℃时,抗氧化性能也会严重降低。因此Ti-Al-X系涂层中X元素（例如Cr、Si、Ni等元素）的添加,可以适当地降低Al含量,促...
【文章来源】：表面技术. 2020年10期 北大核心
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
钛在不同温度下的氧化行为[21]
钛合金在大致105 Pa氧气中发生的氧化行为如图2所示。钛合金氧化的动力学规律还被其他因素（如预处理、金属纯度、表面制备等）影响。钛合金在105 Pa氧气中发生氧化反应，温度区间为400～1000℃，其氧化增重与时间的双对数曲线如图3所示。在400℃以下，氧化曲线服从对数规律；400～600℃时，先满足对数规律，后转变为抛物线或立方规律；达到600～700℃以上，呈现抛物线规律；大于900～1000℃，氧化行为按照线性规律发生，随后氧化速度下降。钛有两个显著的氧化特点：第一，在600～1000℃，钛容易因为时间的延长，出现氧化失稳的现象，增重的曲线由抛物线变成直线；第二，钛一般形成片层状结构的氧化膜，片层的过渡区有较弱的结合强度，甚至会存在裂隙，这种结构形成的主要原因是由于钛和氧的亲和力较强，钛的氧化物里含氧量高，氧化行为的迅速发生使得内应力在氧化层中不能得到及时释放，导致氧化膜和基体发生分离。最后钛合金表面发生溶解和氧化，氧化膜变成片层状结构[24]。梁锡梅等人[25]研究了TA32钛合金的高温连续氧化行为，发现在750～850℃温度范围内的氧化规律基本符合抛物线-直线规律。在750℃和800℃时，氧化速率较慢；在850℃时，氧化速率较快。除温度的影响之外，保温时间也会对TA32钛合金的氧化性能造成一定的影响。在750℃下保温6 h时，氧化膜的主要成分为Ti O2和Ti3Al；保温至144 h，氧化膜的主要成分为Ti O2、Ti3Al和Al2O3；当保温时间延长至240 h时，氧化物的主要成分为Ti O2和Al2O3。当TA32钛合金在850℃下氧化240 h时，表面氧化膜完全剥落。曾尚武[26]等人研究了TC4钛合金在650～800℃的氧化动力学行为，氧化动力学曲线随着温度的升高分别为抛物线、抛物线-直线、直线、抛物线关系。氧化膜主要由薄而致密的Al2O3外层和厚而疏松的Ti O2内层组成。在650℃下，钛合金表面的氧化膜致密且完整，有效地阻止氧气向内部的扩散；而在750、850℃下，氧化膜则出现大面积剥落的现象，失去防护基体的作用。宋有朋等人[27]对在550、650、750℃三种不同温度下氧化100 h的TA19钛合金的氧化动力学进行了研究。发现在550℃和650℃温度下的氧化规律符合直线-抛物线规律，氧化增重分别为1.212 mg/cm2和2.624 mg/cm2，而在750℃下的氧化增重为7.478 mg/cm2，符合双直线规律。并且，随着加热温度和保持时间的增加，TA19表面生成的氧化物由颗粒状变为短棒状，使氧元素向基体内部扩散速率加快，造成氧化膜疏松多孔、脱落，甚至出现Ti3Al脆性相，对内部金属力学性能不利，最终失去高温抗氧化能力。图3 钛在400～1000℃下增重和时间的双对数曲线[24]
图2 钛的氧化动力学规律随着温度和时间的变化[19]为了改善钛合金的高温抗氧化性能，可以采用合金化和表面改性技术来达到目的。合金化的方法主要是通过调整钛合金的化学成分，来改变钛合金的微观组织和氧化膜形态，进而改善高温抗氧化能力。但是控制合金元素的含量十分关键，当添加的合金元素量较小时，起到的抗氧化作用十分有限，只有加入的合金元素量很高时，才能起到所需要的作用。然而过量地添加合金元素时，会严重地降低基体的力学性能，无法满足要求。因此，通过激光熔覆技术在保持钛合金基体自身力学性能的情况下，在钛合金表面制备高温防护涂层来提高其高温抗氧化能力，可以达到在更高温度下高温钛合金的使用要求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructures and Mechanical Properties of Multi-component AlxCrFe2Ni2Mo0.2 High-Entropy Alloys[J]. Qiuxin Nie,Hui Liang,Dongxu Qiao,Zhaoxin Qi,Zhiqiang Cao. Acta Metallurgica Sinica(English Letters). 2020(08)
[2]钛合金及钛基复合材料在航空航天的应用和发展[J]. 刘世锋,宋玺,薛彤,马宁,王岩,王立强. 航空材料学报. 2020(03)
[3]激光功率对钴基/GO复合熔覆层力学性能的影响[J]. 王航,武美萍,陆佩佩,叶秀. 激光与光电子学进展. 2020(09)
[4]Ti-6Al-4V合金表面NiCrAlY/Al复合涂层的抗高温腐蚀性能[J]. 任雪茹,石磊,毛金明,李金龙. 中国表面工程. 2019(04)
[5]镍基高温合金表面激光熔覆CoCrAlYSiHf_x涂层组织性能分析[J]. 张静,王丽娜,彭玉涛,赵飞. 真空科学与技术学报. 2020(03)
[6]超级爆炸喷涂镍基钴基涂层高温氧化及摩擦磨损性能[J]. 王长亮,崔永静,汤智慧,陆峰. 装备环境工程. 2020(01)
[7]激光熔覆高熵合金涂层的研究进展[J]. 赵海朝,梁秀兵,乔玉林,柳建,张志彬,仝永刚. 材料工程. 2019(10)
[8]激光熔覆制备硬质颗粒增强镍基合金复合涂层的研究进展[J]. 平学龙,符寒光,孙淑婷. 材料导报. 2019(09)
[9]TA32钛合金高温连续氧化行为研究[J]. 梁锡梅,陈明和,苏楠,罗峰. 钛工业进展. 2019(02)
[10]激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层的微观组织和高温抗氧化性能[J]. 刘洪喜,赵艳爽,张晓伟,郝轩宏,张璐璐. 光学精密工程. 2019(02)
博士论文
[1]钛合金激光表面Ti-Al-X多元合金化层的组织和性能[D]. 戴景杰.山东大学 2017
硕士论文
[1]钛合金表面激光熔覆Ti-Al-Cr涂层的组织及其高温抗氧化性能[D]. 郭新政.昆明理工大学 2018
[2]激光熔覆TiAl金属间化合物/陶瓷复合涂层的制备及其性能研究[D]. 王晶.浙江工业大学 2008
本文编号：2930179
【文章来源】：表面技术. 2020年10期 北大核心
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
钛在不同温度下的氧化行为[21]
钛合金在大致105 Pa氧气中发生的氧化行为如图2所示。钛合金氧化的动力学规律还被其他因素（如预处理、金属纯度、表面制备等）影响。钛合金在105 Pa氧气中发生氧化反应，温度区间为400～1000℃，其氧化增重与时间的双对数曲线如图3所示。在400℃以下，氧化曲线服从对数规律；400～600℃时，先满足对数规律，后转变为抛物线或立方规律；达到600～700℃以上，呈现抛物线规律；大于900～1000℃，氧化行为按照线性规律发生，随后氧化速度下降。钛有两个显著的氧化特点：第一，在600～1000℃，钛容易因为时间的延长，出现氧化失稳的现象，增重的曲线由抛物线变成直线；第二，钛一般形成片层状结构的氧化膜，片层的过渡区有较弱的结合强度，甚至会存在裂隙，这种结构形成的主要原因是由于钛和氧的亲和力较强，钛的氧化物里含氧量高，氧化行为的迅速发生使得内应力在氧化层中不能得到及时释放，导致氧化膜和基体发生分离。最后钛合金表面发生溶解和氧化，氧化膜变成片层状结构[24]。梁锡梅等人[25]研究了TA32钛合金的高温连续氧化行为，发现在750～850℃温度范围内的氧化规律基本符合抛物线-直线规律。在750℃和800℃时，氧化速率较慢；在850℃时，氧化速率较快。除温度的影响之外，保温时间也会对TA32钛合金的氧化性能造成一定的影响。在750℃下保温6 h时，氧化膜的主要成分为Ti O2和Ti3Al；保温至144 h，氧化膜的主要成分为Ti O2、Ti3Al和Al2O3；当保温时间延长至240 h时，氧化物的主要成分为Ti O2和Al2O3。当TA32钛合金在850℃下氧化240 h时，表面氧化膜完全剥落。曾尚武[26]等人研究了TC4钛合金在650～800℃的氧化动力学行为，氧化动力学曲线随着温度的升高分别为抛物线、抛物线-直线、直线、抛物线关系。氧化膜主要由薄而致密的Al2O3外层和厚而疏松的Ti O2内层组成。在650℃下，钛合金表面的氧化膜致密且完整，有效地阻止氧气向内部的扩散；而在750、850℃下，氧化膜则出现大面积剥落的现象，失去防护基体的作用。宋有朋等人[27]对在550、650、750℃三种不同温度下氧化100 h的TA19钛合金的氧化动力学进行了研究。发现在550℃和650℃温度下的氧化规律符合直线-抛物线规律，氧化增重分别为1.212 mg/cm2和2.624 mg/cm2，而在750℃下的氧化增重为7.478 mg/cm2，符合双直线规律。并且，随着加热温度和保持时间的增加，TA19表面生成的氧化物由颗粒状变为短棒状，使氧元素向基体内部扩散速率加快，造成氧化膜疏松多孔、脱落，甚至出现Ti3Al脆性相，对内部金属力学性能不利，最终失去高温抗氧化能力。图3 钛在400～1000℃下增重和时间的双对数曲线[24]
图2 钛的氧化动力学规律随着温度和时间的变化[19]为了改善钛合金的高温抗氧化性能，可以采用合金化和表面改性技术来达到目的。合金化的方法主要是通过调整钛合金的化学成分，来改变钛合金的微观组织和氧化膜形态，进而改善高温抗氧化能力。但是控制合金元素的含量十分关键，当添加的合金元素量较小时，起到的抗氧化作用十分有限，只有加入的合金元素量很高时，才能起到所需要的作用。然而过量地添加合金元素时，会严重地降低基体的力学性能，无法满足要求。因此，通过激光熔覆技术在保持钛合金基体自身力学性能的情况下，在钛合金表面制备高温防护涂层来提高其高温抗氧化能力，可以达到在更高温度下高温钛合金的使用要求。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructures and Mechanical Properties of Multi-component AlxCrFe2Ni2Mo0.2 High-Entropy Alloys[J]. Qiuxin Nie,Hui Liang,Dongxu Qiao,Zhaoxin Qi,Zhiqiang Cao. Acta Metallurgica Sinica(English Letters). 2020(08)
[2]钛合金及钛基复合材料在航空航天的应用和发展[J]. 刘世锋,宋玺,薛彤,马宁,王岩,王立强. 航空材料学报. 2020(03)
[3]激光功率对钴基/GO复合熔覆层力学性能的影响[J]. 王航,武美萍,陆佩佩,叶秀. 激光与光电子学进展. 2020(09)
[4]Ti-6Al-4V合金表面NiCrAlY/Al复合涂层的抗高温腐蚀性能[J]. 任雪茹,石磊,毛金明,李金龙. 中国表面工程. 2019(04)
[5]镍基高温合金表面激光熔覆CoCrAlYSiHf_x涂层组织性能分析[J]. 张静,王丽娜,彭玉涛,赵飞. 真空科学与技术学报. 2020(03)
[6]超级爆炸喷涂镍基钴基涂层高温氧化及摩擦磨损性能[J]. 王长亮,崔永静,汤智慧,陆峰. 装备环境工程. 2020(01)
[7]激光熔覆高熵合金涂层的研究进展[J]. 赵海朝,梁秀兵,乔玉林,柳建,张志彬,仝永刚. 材料工程. 2019(10)
[8]激光熔覆制备硬质颗粒增强镍基合金复合涂层的研究进展[J]. 平学龙,符寒光,孙淑婷. 材料导报. 2019(09)
[9]TA32钛合金高温连续氧化行为研究[J]. 梁锡梅,陈明和,苏楠,罗峰. 钛工业进展. 2019(02)
[10]激光熔覆原位自生Ti-Al-Si复合涂层的微观组织和高温抗氧化性能[J]. 刘洪喜,赵艳爽,张晓伟,郝轩宏,张璐璐. 光学精密工程. 2019(02)
博士论文
[1]钛合金激光表面Ti-Al-X多元合金化层的组织和性能[D]. 戴景杰.山东大学 2017
硕士论文
[1]钛合金表面激光熔覆Ti-Al-Cr涂层的组织及其高温抗氧化性能[D]. 郭新政.昆明理工大学 2018
[2]激光熔覆TiAl金属间化合物/陶瓷复合涂层的制备及其性能研究[D]. 王晶.浙江工业大学 2008
本文编号：2930179
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