网状结构TiBw/Ti6Al4V复合材料热浸镀Ti-Al-(Si)涂层的研究

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钛基复合材料由于具有低密度、高比强度和高比刚度等优异的力学性能在航空、航天、海洋工程和能源化工等领域有着非常广泛的应用前景,但是其较差的高温抗氧化性能和抗热腐蚀性能严重限制了其在高温领域的应用。通过在钛基复合材料表面制备一层高温防护涂层可以在基本不改变其力学性能的前提下有效提高其高温抗氧化性能和抗热腐蚀性能。本文根据高温防护涂层的要求和合金元素对钛合金高温性能的作用机理,采用高温短时热浸镀结合低温长时热处理的方法在网状结构Ti Bw/Ti6Al4V复合材料表面成功制备了网状结构的Ti-Al涂层和Ti-Al-Si涂层,分析了涂层的组织结构,探讨了工艺参数对涂层组织的影响规律,并对涂层的高温氧化行为和热腐蚀行为进行了系统地研究。Ti-Al涂层主要由Ti Al3相组成,与网状结构Ti Bw/Ti6Al4V复合材料基体结合良好。有涂层和无涂层钛基复合材料的循环氧化结果表明,Ti Al3涂层能够显著提高复合材料的高温抗氧化性能,这主要是由于复合材料经高温氧化后形成了疏松多孔的Ti O2氧化膜,而Ti Al3涂层在高温氧化过程中能够形成连续致密的Al2O3氧化膜。循环氧化后的Ti Al3涂层中并没有产生裂纹,这主要是由于涂层的网状结构能够有效提高涂层承受应力的能力。此外,在氧化过程中,Ti Al3涂层与复合材料基体界面处生成了由Ti Al和Ti Al2组成的反应层,这一界面层的存在对Ti Al3涂层的长期抗氧化性能不利。通过在Ti-Al涂层中加入Si元素能够抑制涂层与复合材料基体之间的界面反应。Ti-Al-Si涂层的组织结构随Si含量的变化有很大不同。Ti-Al-3Si涂层主要由外层较厚的Ti(Al,Si)3层和内层非常薄的Ti3Al Si5层组成;Ti-Al-10Si涂层和Ti-Al-3Si涂层组织相似,但是在Ti(Al,Si)3层顶部生成了一些弥散分布的片状Ti3Al Si5相;Ti-Al-12Si涂层由Ti(Al,Si)3相和Ti3Al Si5相混合组成;Ti-Al-20Si涂层由均匀的Ti3Al Si5相组成。不同成分的Ti-Al-Si涂层都能够有效提高网状结构Ti Bw/Ti6Al4V复合材料的高温抗氧化性能,其中Ti-Al-3Si涂层的高温抗氧化性能最好,依次是Ti-Al-20Si涂层、Ti-Al-10Si涂层和Ti-Al-12Si涂层,这主要是由于不同成分的Ti-Al-Si涂层的组织结构不同,其高温抗氧化能力也不相同,但是氧化后都能够形成一层网状结构的致密Al2O3氧化膜。涂层中的Si原子能够促进Al2O3氧化物的生成,抑制Ti O2氧化物的形成;还可以细化氧化物颗粒,提高氧化膜的韧性。此外,氧化后的Ti-Al-Si涂层与复合材料基体的界面处都生成了一层Ti5Si4层,该界面层的存在能够有效阻碍Ti(Al,Si)3涂层与复合材料基体的界面反应,有利于提高涂层的长期抗氧化性能。Ti-Al-3Si涂层和Ti-Al-20Si涂层在Na Cl、25wt.%Na Cl+75wt.%Na2SO4和Na2SO4沉积盐的热腐蚀作用下都能够对网状结构Ti Bw/Ti6Al4V复合材料提供一定的保护作用。Ti-Al-3Si涂层在Na2SO4沉积盐作用下具有非常好的抗热腐蚀性能,在Na Cl沉积盐中的抗热腐蚀性能最差。这主要是由于涂层在热腐蚀过程中能够在最外层形成一层连续致密的Al2O3氧化膜,但是Na Cl沉积盐对致密氧化膜的溶解速度较快,涂层在Na Cl的作用下发生了严重的内氧化。Ti-Al-20Si涂层在Na2SO4沉积盐中的抗热腐蚀性能最好,在Na Cl和Na2SO4混合盐中的抗热腐蚀性能最差。这主要是由于涂层在热腐蚀初期能够形成致密的Al2O3氧化膜,但随着热腐蚀时间的增加,氧化膜不断溶解,涂层中的Al原子不断消耗以至于不足以继续形成致密的Al2O3氧化膜。涂层在Na Cl作用下能够生成挥发性的氯化物,所发生的反应可以看做是一个自催化过程,由于Na Cl和Na2SO4混合盐的熔点较低,在热腐蚀条件下为液态,因此混合盐对Ti-Al-20Si涂层的热腐蚀程度最严重。
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