鈦合金以其輕質(zhì)、高比強度的優(yōu)點在高速飛行器中被廣泛使用。但隨著飛行器速度的日漸提升,其面臨的氣動加熱問題也越發(fā)嚴峻。飛行器表面的高溫會造成表面鈦合金結(jié)構(gòu)件的力學性能失效并引起鈦合金的氧化與氧脆問題,當熱量向飛行器內(nèi)部傳導后,易導致飛行器內(nèi)部電子元件等關(guān)鍵部件無法正常工作。目前,利用高發(fā)射率涂層將表面氣動熱以輻射形式散失,從而降低飛行器表面溫度是一種常用的熱防護方式。延長使用壽命并提高安全性。本文采用液相等離子體沉積法、漿料法分別在TA15鈦合金表面制備了TiO_2基、Al_2O_3基以及磷酸鋁鉻基高發(fā)射率抗氧化涂層。采用XRD、EDS、SEM、XPS、FT-IR等分析手段對涂層的相組成、元素成分、微觀形貌、元素價態(tài)、膠粘劑官能團進行表征,研究了涂層對TA15合金在700oC時的紅外發(fā)射率、高溫抗氧化能力以及散熱涂層與基體間的剪切強度的影響,并對其機理進行了分析。采用陽極等離子體沉積法在Na_2CO_3堿性體系中制備了同時含有金紅石與銳鈦礦相的TiO_2涂層,其與基體間有較好的剪切強度,但在3-8μm波段紅外輻射能力較低。為了進一步提高涂層的輻射能力,在含有NaAlO_2的堿性電解液體系中制備含有Al_2TiO_5相的陶瓷涂層,使得涂層在3-8μm波段的紅外輻射能力得到一定的提高。在酸性體系電解液中采用陰極等離子體沉積法制備了由α-Al_2O_3與γ-Al_2O_3構(gòu)成的Al_2O_3基涂層,并在其中分別摻入Fe與Mn元素。XRD表征結(jié)果顯示,過渡金屬元素的摻入并未在涂層中產(chǎn)生新相。SEM觀察結(jié)果表明,隨著摻入Fe、Mn元素濃度的提高,涂層的球狀堆疊形貌逐漸消失。涂層與TA15基體間始終保持著較好的剪切強度。其光譜發(fā)射率顯示,Fe與Mn元素的摻入使得涂層的紅外輻射能力得到了很大提升,當電解液中Mn:Al摩爾濃度比達到8%時,其3-8μm平均發(fā)射率提高了26.7%,8-20μm平均發(fā)射率提高了46.4%。同時,Fe與Mn元素的摻入對樣品的抗氧化能力沒有顯著影響。采用漿料法在TA15基體表面制備具有高輻射能力的抗氧化涂層。采用磷酸鋁鉻膠粘劑作為漿料中的膠粘劑,Al_2O_3、SiC、AlN混合物為固化劑,分別采用了混合氧化物、含SiC混合氧化物、含BN混合氧化物為填料制備了高發(fā)射率抗氧化涂層。其中,以混合氧化物為填料的涂層,在其3-8μm波段的平均發(fā)射率可達0.74,8-20μm波段平均發(fā)射率可達0.87,相比于液相等離子體沉積法制備的涂層有進一步提高。另外,對混合氧化物填料進行了預熱處理。研究結(jié)果表明,以1050oC預熱處理后的混合氧化物為填料的涂層,其紅外輻射能力得到了進一步提高。該涂層在3-8μm波段的評價發(fā)射率可達0.8,8-20μm波段平均發(fā)射率可達0.9。這是由于1050oC預熱處理使得涂層中出現(xiàn)了Mn_(1.5)Cr_(1.5)O_4亞穩(wěn)相造成的。但是,相對于液相等離子體沉積涂層,漿料法制備涂層與基體間的剪切強度較低。綜合液相等離子體沉積法與漿料法的優(yōu)點,在TA15合金表面以陽極液相等離子體沉積涂層為過渡層,磷酸鋁鉻基涂層為輻射層制備了復合涂層。復合涂層具有與磷酸鋁鉻涂層相近的紅外輻射能力,同時,由于磷酸鋁鉻涂層與陽極液相等離子體沉積制備的過渡層之間良好的機械鍵合與化學鍵合作用,相比于單純的磷酸鋁鉻基涂層,與基體間的剪切強度大為提高。同時,由于過渡層可以進一步阻止氧氣向TA15基體內(nèi)擴散,復合涂層表現(xiàn)出相對于磷酸鹽涂層更強的抗氧化能力。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V252.2;TG174.4
【部分圖文】：

同時，高溫氣體將與飛行器表面產(chǎn)生傳熱作用，引起飛行器劇升高，這一過程即所謂的氣動加熱過程。由于氣動加熱過程的的動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。因此，與飛行速度和飛行環(huán)境中的氣體密度常熱流密度與速度的三次方成正比，并與大氣密度的平方根成正以航天飛機為例，圖 1-1 給出其各部分所需承受的最大溫度。

進一步反應(yīng)生成 TiO2的親合能為-54.99 eV[23]。因此，鈦合金的氧化最終會生成 TiO2和 Al2O3。在高溫下，鈦元素與氧氣反應(yīng)會生成疏松TiO2層。氧氣很容易通過空隙向合金表面擴散，這使得氧化膜會迅速增，氧化層的迅速增厚會造成氧化層與合金之間的應(yīng)力集中，從而導致容易脫落[24,25]。鈦基合金的氧化示意圖如圖 1-2 所示。

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文從而在表面形成 Al 的優(yōu)先氧化。但是當 Al 元素的質(zhì)量分數(shù)超過 6%形成脆性的 Ti3Al 金屬間化合物，這將犧牲鈦合金的韌性[27]。研究表其富含 Al 元素，氧化過程中可以在表面形成致密的 Al2O3保護層，l 金屬間化合物在 850oC 時仍然可以保持良好的抗氧化能力[28]。但是間化合物在低溫時韌性較差，同時熔煉工藝復雜，且較難保持材料的導致其成本一直高居不下，主要用于航空引擎中后級壓氣機葉片，極飛行器的大型結(jié)構(gòu)件[29]。相比于通過整體合金化改善鈦合金的抗氧化來的高風險和需要對全部冶煉、加工工藝進行調(diào)整，研究者更傾向于表面的性質(zhì)，阻止氧氣向其表面擴散[30]。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2834971