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如何提高鈦合金的抗高溫氧化性能?

發布者:2021-04-08 10:08:28
鈦合金因具有高強度、低比重等優異性能而被廣泛應用于航空工業。目前,鈦合金的使用量已經成為衡量飛機發動機是否先進的重要指標之一,由鈦合金制備而成的轉子盤、葉片已普遍使用于先進的航空渦輪發動機中。然而,在高溫使用條件下,氧元素的擴散滲入會造成鈦材的表面氧化,進而嚴重影響了鈦合金的使用壽命。因此,如何提高鈦合金的抗高溫氧化性能成為當前研究熱點。

鈦合金的高溫氧化

1.1 純鈦的氧化

當溫度在500℃以下時,純鈦的性能較為穩定,然而隨著溫度的繼續升高,氧元素不斷滲入到鈦晶格中并與鈦基體發生反應,在鈦材表面生成大量的金紅石結構的TiO2 氧化物。而金紅石結構的TiO2 結構疏松且極易破裂,脫落,致使鈦材重新暴露出新鮮表面,即純鈦材的高溫氧化行為可看成為表面氧化膜的循環層狀剝落。

1.2 合金元素對鈦合金氧化性能的影響

Al、Cr、Si 等合金元素的加入不僅會改變鈦合金的力學性能,還會影響其抗高溫氧化能力。其中,當鈦中Al 元素的含量達到一定濃度后,親氧性 Al 元素會優先與氧發生反應,在鈦基表面形成一層連續、致密、穩定的Al2O3 氧化膜,進而對基體材料起到了較好的抗高溫氧化作用。Cr 元素的存在一方面可以促進Al2O3 氧化膜的形成,另一方面含Cr 相的互溶區可形成一定的擴散層,當鈦基覆蓋有Al 防護涂層時,該擴散層可有效抑制Ti、Al 元素的互擴散,從而延長涂層的使用壽命。

提高鈦合金抗高溫氧化性能方法

2.1合金化

合金化即通過對鈦合金的組分進行調整,進而改變了鈦合金的組織形態及氧化膜形態以提高其抗高溫氧化性能。然而研究表明, 當合金元素的加入量較小時,并未對合金的抗氧化性能起到影響,只有當合金元素加入量較高時,才會有較好效果。但是,過量的合金元素會嚴重影響合金的力學性能,無法滿足航天用材的安全性能要求。因此合金化并不是理想的提高鈦材抗高溫氧化性能的方法。

2.2抗高溫氧化表面工程技術

對目前鈦合金的抗高溫氧化表面工程技術而言,根據防護性涂層與鈦基體結合方式的不同,可分為擴散涂層與包覆涂層。擴散涂層與包覆涂層較合金化而言,均可在有效提高鈦基抗高溫氧化能力的同時又不破壞其整體力學性能。目前常用的表面合金化方法有擴散滲技術、熔結涂層技術、離子注入技術和預氧化、硫化、滲氮等。

擴散滲技術:已有學者采用表面滲Al、Al-Cr 共滲、Al-Si 共滲的方法使鈦合金與滲層元素發生反應,生成相應的Ti-Al、Ti-Cr、Ti-Si 等金屬間化合物,而此類金屬間化合物在高溫氧化過程中,可向表面層源源不斷的提供Al、Cr、Si 等元素,進而在鈦基合金表面形成連續、致密、穩定的Al2O3 等氧化膜,對鈦基起到了很好的抗高溫氧化作用。
擴散滲技術因其抗高溫氧化效果優良且操作工藝簡單而被廣泛應用于工業生產中,但該方法存在耗時長,對能源消耗量巨大且易對環境造成污染等劣勢。
熔結涂層技術:與擴散滲技術相比,熔結涂層技術更加環保與經濟。熔結即金屬表面短時間內發生的高溫冶金反應,通過熔結涂層技術制備而成的防護涂層可把鈦合金使用溫度提升至900℃。但是,基體與涂層間較差的相容性是該技術有待解決的問題所在。

離子注入:向鈦合金注入Cr、Nb、Si 等元素,此類元素在高溫下生成的氧化物可彌散分布于晶界,從而降低了氧在晶界的擴散速率,提高了鈦基體的抗高溫氧化能力。但離子注入技術的注入深度太淺,對基體防護能力有限,這也正是離子注入技術的弱點所在。
相對于整體合金化和擴散涂層而言,在鈦合金表面直接制備防護性涂層則更加經濟與便捷,在高溫氧化環境下,涂層表面可形成連續致密穩定的氧化膜,對基體材料起到較好的防護作用。根據涂層制備方法的不同,可分為熱噴涂、磁控濺射、離子鍍膜及PCD、CVD 等多種真空沉積技術。而就涂層成分則可分為MCrAlY 系列、TiAl-X 系列、NiAl 系列、鋁- 硅酸鹽涂層及搪瓷涂層等。

MCrAlY 系列涂層:該系列涂層曾廣泛作為合金的抗高溫氧化防護涂層,其中M 為Ni 或Co,是涂層的基體元素,Al 元素則可在氧化時形成連續致密的Al2O3 氧化膜,Cr 的存在可以促進Al2O3 氧化膜的形成,Y 則可以提高氧化膜的附著力。早期的鈦合金防護涂層即把MCrAlY 粉末通過火焰噴涂的工藝方法噴射至鈦基表面所得,試驗表明MCrAlY系列涂層可有效抑制鈦合金的高溫氧化速率,提高其抗高溫氧化能力。然而在長時期高溫加熱情況下,涂層中各元素極易與鈦基體中Ti 元素發生互擴散,從而縮短了涂層的使用壽命。目前,學者們通過在涂層與鈦基間添加擴散阻擋層以抑制元素的互擴散。

TiAl-X 系列涂層:此類涂層的化學成分與鈦基體具有一定的相似性,故該類涂層與基體的相容性較好且涂層與基體間不易發生互擴散反應。在高溫氧化過程中,TiAl-X 涂層表面能快速生成Al2O3 防護膜進而對鈦基體起到良好的保護作用。另外TiAl-X 涂層與鈦基的熱膨脹系數相近,氧化膜具有較好的粘附性。但TiAl-X 系列涂層一般由PVD技術或磁控濺射制備而成,工藝成本較高,這也在一定程度上限制了TiAl-X 系列涂層的工業應用。
搪瓷涂層:此類涂層為一種新型的復合氧化物涂層,其具有高溫抗氧化性好,穩定,結構致密等優點。且該涂層制備工藝簡單,成本低廉,有望廣泛應用于鈦合金抗高溫氧化涂層的制備。但搪瓷涂層中含有一定量的氧,在高溫燒制過程中于鈦合金中形成富氧層,進而影響到鈦合金的力學性能,這也是搪瓷涂層有待改善的關鍵所在。

未來展望

綜上所述,無論是使鈦合金整體合金化還是在鈦合金表面制備擴散涂層及包覆涂層,均可不同程度的提高鈦合金抗高溫氧化能力。但不同工藝方法又有著自身的局限性與劣勢,故鈦合金表面抗氧化技術有待進一步研究。

抗高溫防護涂層不僅應具有良好的抗高溫氧化能力,還應與基體結合緊密。另外,高溫下涂層元素與鈦基體元素不易發生互擴散反應,目前來看,單一涂層很難同時滿足上述條件,而復合涂層則具有更好的綜合性能,徐一等人采用磁控濺射和電弧離子鍍技術在γ-TiAl 合金表面制備NiCrAlY/Al 復合涂層,結果表明:該復合涂層可顯著提高基體于950℃下的抗高溫氧化能力。

單一的表面合金化方法雖可在一定程度上提高鈦合金的抗高溫氧化能力,然而卻不可避免的存在自身的缺點,將多種不同表面合金化技術有機的結合在一起,則可起到更好的防護作用。

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