鈦合金表面抗高溫氧化涂層的研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2020-12-21 17:07
鈦合金在制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值,但高溫性能不穩(wěn)定是制約其發(fā)展前景的主要原因。采用激光熔覆技術(shù)在鈦合金表面制備耐高溫涂層,是在不改變鈦合金材料整體性能的前提下賦予材料表面特殊性能的重要途徑。首先介紹了鈦合金的氧化行為,并簡(jiǎn)要分析了鈦合金在氧化過(guò)程中的氧化特點(diǎn)及失效形式,指明其改善途徑。隨后總結(jié)分析了目前常用的鎳基高溫涂層、TiAl系高溫涂層和高熵合金高溫涂層的研究現(xiàn)狀,其中鎳基合金涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度、良好的耐磨性和優(yōu)異的耐蝕性,但由于涂層與基體中元素的擴(kuò)散速率不同導(dǎo)致的差異,造成柯肯達(dá)爾空洞的產(chǎn)生,涂層變得不穩(wěn)定,涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度降低。TiAl基合金的高溫性能與鎳基高溫合金相近,且密度小,有代替鎳基合金的發(fā)展趨勢(shì),其涂層表面可以生成均勻致密的Al2O3氧化膜,并且與鈦合金基體間的化學(xué)成分差異小,基本不發(fā)生互擴(kuò)散現(xiàn)象。但二元TiAl系涂層對(duì)于Al的用量有嚴(yán)格的要求,當(dāng)其使用溫度超過(guò)850℃時(shí),抗氧化性能也會(huì)嚴(yán)重降低。因此Ti-Al-X系涂層中X元素（例如Cr、Si、Ni等元素）的添加,可以適當(dāng)?shù)亟档虯l含量,促...
【文章來(lái)源】：表面技術(shù). 2020年10期 北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：18 頁(yè)
【部分圖文】：
鈦在不同溫度下的氧化行為[21]
鈦合金在大致105 Pa氧氣中發(fā)生的氧化行為如圖2所示。鈦合金氧化的動(dòng)力學(xué)規(guī)律還被其他因素（如預(yù)處理、金屬純度、表面制備等）影響。鈦合金在105 Pa氧氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，溫度區(qū)間為400～1000℃，其氧化增重與時(shí)間的雙對(duì)數(shù)曲線如圖3所示。在400℃以下，氧化曲線服從對(duì)數(shù)規(guī)律；400～600℃時(shí)，先滿足對(duì)數(shù)規(guī)律，后轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞�或立方規(guī)律；達(dá)到600～700℃以上，呈現(xiàn)拋物線規(guī)律；大于900～1000℃，氧化行為按照線性規(guī)律發(fā)生，隨后氧化速度下降。鈦有兩個(gè)顯著的氧化特點(diǎn)：第一，在600～1000℃，鈦容易因?yàn)闀r(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)氧化失穩(wěn)的現(xiàn)象，增重的曲線由拋物線變成直線；第二，鈦一般形成片層狀結(jié)構(gòu)的氧化膜，片層的過(guò)渡區(qū)有較弱的結(jié)合強(qiáng)度，甚至?xí)嬖诹严�，這種結(jié)構(gòu)形成的主要原因是由于鈦和氧的親和力較強(qiáng)，鈦的氧化物里含氧量高，氧化行為的迅速發(fā)生使得內(nèi)應(yīng)力在氧化層中不能得到及時(shí)釋放，導(dǎo)致氧化膜和基體發(fā)生分離。最后鈦合金表面發(fā)生溶解和氧化，氧化膜變成片層狀結(jié)構(gòu)[24]。梁錫梅等人[25]研究了TA32鈦合金的高溫連續(xù)氧化行為，發(fā)現(xiàn)在750～850℃溫度范圍內(nèi)的氧化規(guī)律基本符合拋物線-直線規(guī)律。在750℃和800℃時(shí)，氧化速率較慢；在850℃時(shí)，氧化速率較快。除溫度的影響之外，保溫時(shí)間也會(huì)對(duì)TA32鈦合金的氧化性能造成一定的影響。在750℃下保溫6 h時(shí)，氧化膜的主要成分為T(mén)i O2和Ti3Al；保溫至144 h，氧化膜的主要成分為T(mén)i O2、Ti3Al和Al2O3；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至240 h時(shí)，氧化物的主要成分為T(mén)i O2和Al2O3。當(dāng)TA32鈦合金在850℃下氧化240 h時(shí)，表面氧化膜完全剝落。曾尚武[26]等人研究了TC4鈦合金在650～800℃的氧化動(dòng)力學(xué)行為，氧化動(dòng)力學(xué)曲線隨著溫度的升高分別為拋物線、拋物線-直線、直線、拋物線關(guān)系。氧化膜主要由薄而致密的Al2O3外層和厚而疏松的Ti O2內(nèi)層組成。在650℃下，鈦合金表面的氧化膜致密且完整，有效地阻止氧氣向內(nèi)部的擴(kuò)散；而在750、850℃下，氧化膜則出現(xiàn)大面積剝落的現(xiàn)象，失去防護(hù)基體的作用。宋有朋等人[27]對(duì)在550、650、750℃三種不同溫度下氧化100 h的TA19鈦合金的氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在550℃和650℃溫度下的氧化規(guī)律符合直線-拋物線規(guī)律，氧化增重分別為1.212 mg/cm2和2.624 mg/cm2，而在750℃下的氧化增重為7.478 mg/cm2，符合雙直線規(guī)律。并且，隨著加熱溫度和保持時(shí)間的增加，TA19表面生成的氧化物由顆粒狀變?yōu)槎贪魻�，使氧元素向基體內(nèi)部擴(kuò)散速率加快，造成氧化膜疏松多孔、脫落，甚至出現(xiàn)Ti3Al脆性相，對(duì)內(nèi)部金屬力學(xué)性能不利，最終失去高溫抗氧化能力。圖3 鈦在400～1000℃下增重和時(shí)間的雙對(duì)數(shù)曲線[24]
圖2 鈦的氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律隨著溫度和時(shí)間的變化[19]為了改善鈦合金的高溫抗氧化性能，可以采用合金化和表面改性技術(shù)來(lái)達(dá)到目的。合金化的方法主要是通過(guò)調(diào)整鈦合金的化學(xué)成分，來(lái)改變鈦合金的微觀組織和氧化膜形態(tài)，進(jìn)而改善高溫抗氧化能力。但是控制合金元素的含量十分關(guān)鍵，當(dāng)添加的合金元素量較小時(shí)，起到的抗氧化作用十分有限，只有加入的合金元素量很高時(shí)，才能起到所需要的作用。然而過(guò)量地添加合金元素時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地降低基體的力學(xué)性能，無(wú)法滿足要求。因此，通過(guò)激光熔覆技術(shù)在保持鈦合金基體自身力學(xué)性能的情況下，在鈦合金表面制備高溫防護(hù)涂層來(lái)提高其高溫抗氧化能力，可以達(dá)到在更高溫度下高溫鈦合金的使用要求。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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]鈦合金及鈦基復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 劉世鋒,宋璽,薛彤,馬寧,王巖,王立強(qiáng). 航空材料學(xué)報(bào). 2020(03)
[3]激光功率對(duì)鈷基/GO復(fù)合熔覆層力學(xué)性能的影響[J]. 王航,武美萍,陸佩佩,葉秀. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020(09)
[4]Ti-6Al-4V合金表面NiCrAlY/Al復(fù)合涂層的抗高溫腐蝕性能[J]. 任雪茹,石磊,毛金明,李金龍. 中國(guó)表面工程. 2019(04)
[5]鎳基高溫合金表面激光熔覆CoCrAlYSiHf_x涂層組織性能分析[J]. 張靜,王麗娜,彭玉濤,趙飛. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào). 2020(03)
[6]超級(jí)爆炸噴涂鎳基鈷基涂層高溫氧化及摩擦磨損性能[J]. 王長(zhǎng)亮,崔永靜,湯智慧,陸峰. 裝備環(huán)境工程. 2020(01)
[7]激光熔覆高熵合金涂層的研究進(jìn)展[J]. 趙海朝,梁秀兵,喬玉林,柳建,張志彬,仝永剛. 材料工程. 2019(10)
[8]激光熔覆制備硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)鎳基合金復(fù)合涂層的研究進(jìn)展[J]. 平學(xué)龍,符寒光,孫淑婷. 材料導(dǎo)報(bào). 2019(09)
[9]TA32鈦合金高溫連續(xù)氧化行為研究[J]. 梁錫梅,陳明和,蘇楠,羅峰. 鈦工業(yè)進(jìn)展. 2019(02)
[10]激光熔覆原位自生Ti-Al-Si復(fù)合涂層的微觀組織和高溫抗氧化性能[J]. 劉洪喜,趙艷爽,張曉偉,郝軒宏,張璐璐. 光學(xué)精密工程. 2019(02)
博士論文
[1]鈦合金激光表面Ti-Al-X多元合金化層的組織和性能[D]. 戴景杰.山東大學(xué) 2017
碩士論文
[1]鈦合金表面激光熔覆Ti-Al-Cr涂層的組織及其高溫抗氧化性能[D]. 郭新政.昆明理工大學(xué) 2018
[2]激光熔覆TiAl金屬間化合物/陶瓷復(fù)合涂層的制備及其性能研究[D]. 王晶.浙江工業(yè)大學(xué) 2008
本文編號(hào)：2930179
【文章來(lái)源】：表面技術(shù). 2020年10期 北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：18 頁(yè)
【部分圖文】：
鈦在不同溫度下的氧化行為[21]
鈦合金在大致105 Pa氧氣中發(fā)生的氧化行為如圖2所示。鈦合金氧化的動(dòng)力學(xué)規(guī)律還被其他因素（如預(yù)處理、金屬純度、表面制備等）影響。鈦合金在105 Pa氧氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，溫度區(qū)間為400～1000℃，其氧化增重與時(shí)間的雙對(duì)數(shù)曲線如圖3所示。在400℃以下，氧化曲線服從對(duì)數(shù)規(guī)律；400～600℃時(shí)，先滿足對(duì)數(shù)規(guī)律，后轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锞�或立方規(guī)律；達(dá)到600～700℃以上，呈現(xiàn)拋物線規(guī)律；大于900～1000℃，氧化行為按照線性規(guī)律發(fā)生，隨后氧化速度下降。鈦有兩個(gè)顯著的氧化特點(diǎn)：第一，在600～1000℃，鈦容易因?yàn)闀r(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)氧化失穩(wěn)的現(xiàn)象，增重的曲線由拋物線變成直線；第二，鈦一般形成片層狀結(jié)構(gòu)的氧化膜，片層的過(guò)渡區(qū)有較弱的結(jié)合強(qiáng)度，甚至?xí)嬖诹严�，這種結(jié)構(gòu)形成的主要原因是由于鈦和氧的親和力較強(qiáng)，鈦的氧化物里含氧量高，氧化行為的迅速發(fā)生使得內(nèi)應(yīng)力在氧化層中不能得到及時(shí)釋放，導(dǎo)致氧化膜和基體發(fā)生分離。最后鈦合金表面發(fā)生溶解和氧化，氧化膜變成片層狀結(jié)構(gòu)[24]。梁錫梅等人[25]研究了TA32鈦合金的高溫連續(xù)氧化行為，發(fā)現(xiàn)在750～850℃溫度范圍內(nèi)的氧化規(guī)律基本符合拋物線-直線規(guī)律。在750℃和800℃時(shí)，氧化速率較慢；在850℃時(shí)，氧化速率較快。除溫度的影響之外，保溫時(shí)間也會(huì)對(duì)TA32鈦合金的氧化性能造成一定的影響。在750℃下保溫6 h時(shí)，氧化膜的主要成分為T(mén)i O2和Ti3Al；保溫至144 h，氧化膜的主要成分為T(mén)i O2、Ti3Al和Al2O3；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至240 h時(shí)，氧化物的主要成分為T(mén)i O2和Al2O3。當(dāng)TA32鈦合金在850℃下氧化240 h時(shí)，表面氧化膜完全剝落。曾尚武[26]等人研究了TC4鈦合金在650～800℃的氧化動(dòng)力學(xué)行為，氧化動(dòng)力學(xué)曲線隨著溫度的升高分別為拋物線、拋物線-直線、直線、拋物線關(guān)系。氧化膜主要由薄而致密的Al2O3外層和厚而疏松的Ti O2內(nèi)層組成。在650℃下，鈦合金表面的氧化膜致密且完整，有效地阻止氧氣向內(nèi)部的擴(kuò)散；而在750、850℃下，氧化膜則出現(xiàn)大面積剝落的現(xiàn)象，失去防護(hù)基體的作用。宋有朋等人[27]對(duì)在550、650、750℃三種不同溫度下氧化100 h的TA19鈦合金的氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在550℃和650℃溫度下的氧化規(guī)律符合直線-拋物線規(guī)律，氧化增重分別為1.212 mg/cm2和2.624 mg/cm2，而在750℃下的氧化增重為7.478 mg/cm2，符合雙直線規(guī)律。并且，隨著加熱溫度和保持時(shí)間的增加，TA19表面生成的氧化物由顆粒狀變?yōu)槎贪魻�，使氧元素向基體內(nèi)部擴(kuò)散速率加快，造成氧化膜疏松多孔、脫落，甚至出現(xiàn)Ti3Al脆性相，對(duì)內(nèi)部金屬力學(xué)性能不利，最終失去高溫抗氧化能力。圖3 鈦在400～1000℃下增重和時(shí)間的雙對(duì)數(shù)曲線[24]
圖2 鈦的氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律隨著溫度和時(shí)間的變化[19]為了改善鈦合金的高溫抗氧化性能，可以采用合金化和表面改性技術(shù)來(lái)達(dá)到目的。合金化的方法主要是通過(guò)調(diào)整鈦合金的化學(xué)成分，來(lái)改變鈦合金的微觀組織和氧化膜形態(tài)，進(jìn)而改善高溫抗氧化能力。但是控制合金元素的含量十分關(guān)鍵，當(dāng)添加的合金元素量較小時(shí)，起到的抗氧化作用十分有限，只有加入的合金元素量很高時(shí)，才能起到所需要的作用。然而過(guò)量地添加合金元素時(shí)，會(huì)嚴(yán)重地降低基體的力學(xué)性能，無(wú)法滿足要求。因此，通過(guò)激光熔覆技術(shù)在保持鈦合金基體自身力學(xué)性能的情況下，在鈦合金表面制備高溫防護(hù)涂層來(lái)提高其高溫抗氧化能力，可以達(dá)到在更高溫度下高溫鈦合金的使用要求。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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]鈦合金及鈦基復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 劉世鋒,宋璽,薛彤,馬寧,王巖,王立強(qiáng). 航空材料學(xué)報(bào). 2020(03)
[3]激光功率對(duì)鈷基/GO復(fù)合熔覆層力學(xué)性能的影響[J]. 王航,武美萍,陸佩佩,葉秀. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020(09)
[4]Ti-6Al-4V合金表面NiCrAlY/Al復(fù)合涂層的抗高溫腐蝕性能[J]. 任雪茹,石磊,毛金明,李金龍. 中國(guó)表面工程. 2019(04)
[5]鎳基高溫合金表面激光熔覆CoCrAlYSiHf_x涂層組織性能分析[J]. 張靜,王麗娜,彭玉濤,趙飛. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào). 2020(03)
[6]超級(jí)爆炸噴涂鎳基鈷基涂層高溫氧化及摩擦磨損性能[J]. 王長(zhǎng)亮,崔永靜,湯智慧,陸峰. 裝備環(huán)境工程. 2020(01)
[7]激光熔覆高熵合金涂層的研究進(jìn)展[J]. 趙海朝,梁秀兵,喬玉林,柳建,張志彬,仝永剛. 材料工程. 2019(10)
[8]激光熔覆制備硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)鎳基合金復(fù)合涂層的研究進(jìn)展[J]. 平學(xué)龍,符寒光,孫淑婷. 材料導(dǎo)報(bào). 2019(09)
[9]TA32鈦合金高溫連續(xù)氧化行為研究[J]. 梁錫梅,陳明和,蘇楠,羅峰. 鈦工業(yè)進(jìn)展. 2019(02)
[10]激光熔覆原位自生Ti-Al-Si復(fù)合涂層的微觀組織和高溫抗氧化性能[J]. 劉洪喜,趙艷爽,張曉偉,郝軒宏,張璐璐. 光學(xué)精密工程. 2019(02)
博士論文
[1]鈦合金激光表面Ti-Al-X多元合金化層的組織和性能[D]. 戴景杰.山東大學(xué) 2017
碩士論文
[1]鈦合金表面激光熔覆Ti-Al-Cr涂層的組織及其高溫抗氧化性能[D]. 郭新政.昆明理工大學(xué) 2018
[2]激光熔覆TiAl金屬間化合物/陶瓷復(fù)合涂層的制備及其性能研究[D]. 王晶.浙江工業(yè)大學(xué) 2008
本文編號(hào)：2930179
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