钛合金高温氧化防护涂层研究现状与发展趋势

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1、钛合金高温氧化防护涂层研究现状与发展趋势摘要钛合金具冇高比强度、优良的耐蚀性，在现代航空航天、军事工业、民用工业中占据越来越重要的位置。但钛合金自身抗高温氧化性差的缺点限制了其进一步应用。本文综述了能改善钛合金抗高温氧化性的表面处理技术，包括：磁控溅射、激光表面处理等单一表面处理技术；复合表面处理技术；纳米技术与传统表面处理技术结合的先进技术。关键词钛合金；表面处理；抗高温氧化性中图分类号TU5文献标识码A文章编号1674-6708(2013)99-0088-030引言钛合金作为一种新型的轻金属材料，具冇比强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、海洋工程、石油化工、医

2、疗卫生、军事工业等领域。由于其特性优异，钛合金常作为航空器、汽轮机等的高温部件使用。但是,由于高温氧化问题导致机械性能严重下降，使得钛合金的应用温度被限制在以下。当使用温度在以上时，无保护性的氧化膜的形成使钛合金抗氧化性降低。此外，氧气通过氧化膜快速扩散并溶解于基体合金，使基体合金表面产生脆性层，使合金的力学性能恶化并增加开裂倾向。因此，通过适当的表面处理提高钛合金的抗高温氧化性是非常必要的。针对钛合金高温抗氧化性的改善，国内外研究者应用不同的涂层技术开展了研究，本文综述了提高钛合金高温抗氧化性的不同表面涂层技术及莫原理，介绍了钛合金高温氧化防护涂层的研究现状及发展趋势

3、。1表面处理技术1.1单一表面处理技术1.1.1磁控溅射溅射是用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表

4、们时，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。而磁控溅射是在辉光放电的两极之间引入磁场，增加气体的离化率，降低溅射气压。ReinholdBraun等人［2］采用磁控溅射的方法在合金上制备涂层，研究表明由于在涂层表面形成了连续的抗氧化层，使得涂层在950时仍具有良好的抗高温氧化性。A.Ebach-Stahl等人［1］同样也采用磁控溅射在及上合成涂层。涂层与合金基体间结合紧密，在600及700的热循环实验中均未发生破裂现象。与

5、裸露的基体合金相比，具冇涂层的及试样在600及700的氧化循环条件下的氧化增重显著降低,表明涂层具有高的抗氧化性能。但在700的氧化循环实验中，涂层中出现大量贯穿试样横截面的裂纹，这是由涂层的脆性及残余热应力引起的。1.1.2激光表面处理1）激光表面合金化激光表面合金化是激光束与材料表面互相作用，使材料表面发牛物理冶金和化学变化，达到表面强化的方法。J.DuttaMajumdar等人正是采用此技术对进行表面处理，合金化元素分别为、（质量比1：3）、（质量比3：l）o在适当的工艺参数下，激光表面合金化可以增强及条件下热重量分析实验中基体合金的抗高温氧化性。更加深入的研究发

6、现，经激光表面合金化处理的在以下具有最好的抗氧化性，这是因为氧化层-基体合金之间存在的不仅可以降低氧化速率，还可以防止的脱落；同时均匀分布的相也可以降低氧化速率并且提供间接的离子扩散势垒。而在的高温下，展现出更好的抗高温氧化性，这主要是因为试样表面形成了致密的保护层。2）激光熔敷激光熔敷通过在基材表面添加熔覆粉末，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结层。CanHuang等人采用激光熔敷的方法将高爛合金涂层堆积在合金表面并通过800条件下的高温氧化实验测试其抗高温氧化性能。研究表明，一层由、、、及少量组成的具有良好附着力的混合物氧化

7、层的形成使得激光熔敷后的基体合金的抗高温氧化性能显著提高。1.1.3扩渗处理1）渗铝渗铝处理在基体合金表面生成以为主的涂层，在高温氧化过程中可以形成保护性氧化层以提高基体的抗高温氧化性。常用的渗铝技术包括固体渗铝、离子渗铝、包埋渗铝等。乙G.Zhang等人采用热浸渗铝的方法在合金表面渗铝。随后的高温氧化实验表明，在氧化温度低于800的条件下渗铝层能为基体提供良好的保护，热浸渗铝后试样的氧化增重远远小于未经处理的试样，但试样在冷却的过程中出现氧化层脱落现象；在900高温氧化实验中，山于涂层与基体Z间发生互扩散形成保护性较差的，等相，渗铝层不能再为基体提供良好的保护，氧化增

8、重显著增加。渗铝处理的致命缺点是渗铝层脆性较大且与基体的热膨胀系数相差较大，从而导致氧化层脱落使涂层失去防护作用，这是渗铝处理需要解决的关键问题。2）渗氮P.Pe?rez[6]将纯Ti、、置于氮气气氛屮进行气体渗氮并在700条件下进行高温氧化实验。渗氮处理对抗高温氧化性能的影响与基体合金元素、氮化温度有关。对于纯Ti和合金，渗氮层作为扩散势垒区阻碍了氧的内扩散，因此减少了氧在基体中的溶解从而减少了氧化增重。但是渗氮层只能在氧化前期发挥这种有利作用，随着氧化时间的增长，基体并不能稳定渗氮层，渗氮层会逐渐消失。而对于合金，氮化温度为600时，