Ti65渗铝/碳复合涂层的组织演化机理及高温性能研究

作     者：张家霖 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李发国

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钛合金 铝基涂层 固体渗碳 高温氧化 循环热腐蚀 

摘      要：Ti65合金是一种在高温环境下应用十分广泛的轻合金,主要应用于汽车制造行业及航天航空领域，特别是航空发动机的叶片、轮盘等高温部件的应用能大大增加其推重比，提升发动机的性能。尽管Ti65合金的热障温度已经提高到650℃,但在650℃以上的高温环境下服役会被迅速氧化、失效。目前提高钛合金服役温度有两种方法。1）合金化，2）制备抗氧化涂层。通过合金化后钛合金的短时服役温度只能在750℃。几十年来，人们针对钛合金研究了各种高温涂层，发现铝是众多抗氧化元素中效果最好的，铝在高温下反应生成了稳定的Al2O3,可以大幅提升金属基体的抗高温氧化性能，但Ti-Al中间化合物和钛合金基体之间的杨氏模量不匹配的问题依然是铝基涂层的短板。 为进一步优化钛合金铝基涂层性能，本文在Ti65合金热浸镀铝的基础上进行固体渗碳，通过扫描电子显微镜对其形貌观测发现采用热浸镀铝后固体渗碳再高温氧化制备出一种Ti-Al二元系多相层/Al2O3/TiAl3+Al2O3复合涂层。通过高温氧化对比发现渗铝/碳复合涂层的氧化增重量远小于未经渗碳的渗铝涂层，实验证明表明:Ti65合金的铝基涂层通过进一步固体渗碳，试样相比于纯铝基涂层试样的抗800℃高温氧化性能实现显著改善。 本次实验利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子探针显微分析仪（EPMA）及能谱仪（EDS）等仪器观察涂层形貌、相组成及成分分布，采用纳米压痕检测涂层与基体附着力和杨氏模量值。结果表明钛合金渗铝/碳复合涂层解决了TiAl3与TiAl2杨氏模量不匹配的问题，起到隔绝空气的作用,多孔的TiAl3层经过高温氧化后形成TiAl3与Al2O3混合层，抗热裂纹能力大大提高。连续致密的Ti-Al二元系多相层能够进一步阻挡裂纹和氧原子的扩散，提升涂层的抗高温氧化性能。Ti-Al二元系多相层/Al2O3/TiAl3+Al2O3复合涂层的成功制备为发展新型的长寿命的钛合金铝基复合涂层提供了新的思路。 采用失重法、扫描电子显微镜及XRD等多种分析测试手段，模拟钛合金铝基涂层在海洋环境下的腐蚀氧化行为。研究结果表明，经过渗碳处理的铝基涂层试样在循环热腐蚀中发生更加复杂的氧化反应，生成了大量疏松的TiO2,破坏涂层致密性，从而表现出较为严重的热腐蚀效应。未经渗碳处理的涂层表现出较为优异的耐热腐蚀性能，这是由于在热腐蚀过程中形成了致密连续的Al2O3氧化层以及硫酸盐堆积在涂层顶部形成了一层扩散屏障。