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γ-TiAl合金表面Al-Y梯度涂层的高温氧化与热腐蚀性能研究

γ-TiAl合金表面Al-Y梯度涂层的高温氧化与热腐蚀性能研究

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作者：胡荣耀南京航空航天大学

学位级别：硕士

γ-TiAl合金具有高的比强度、比模量、抗蠕变性及优良的高温强度、刚度等性能,有望替代镍基或铁基高温合金成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的高温结构材料之一。但其在800℃以上抗高温氧化性能不足以及在熔盐环境下... 详细信息

γ-TiAl合金具有高的比强度、比模量、抗蠕变性及优良的高温强度、刚度等性能,有望替代镍基或铁基高温合金成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的高温结构材料之一。但其在800℃以上抗高温氧化性能不足以及在熔盐环境下热腐蚀性能的不足,限制了合金的使用范围。针对这一问题,采用射频磁控溅射技术和真空扩散的复合工艺在γ-TiAl合金表面制备Al-Y梯度涂层,以提高合金的抗高温氧化和热腐蚀性能。射频磁控溅射制备Al-Y沉积层的最佳工艺参数为:溅射功率200W,工件气压4Pa,时间4h,靶与工件距离25mm。在此基础上再经过600℃/10h真空扩散工艺制备Al-Y梯度涂层。利用SEM、EDS、XRD对Al-Y梯度涂层的微观形貌、元素分布及相组成进行分析,结果表明:表面均匀致密,无孔洞、裂纹;主要有Al、YAl3、Al2O3和Y2O3相组成;涂层由外层沉积层和富Al相的扩散层构成,厚度约为60μm,与基体为冶金结合,结合力达到41.8N。在不同温度下(750℃、850℃、950℃)对Al-Y梯度涂层进行100h的高温氧化实验,结果表明:Al-Y梯度涂层在750℃、850℃时形成了表面致密氧化层、中间氧化层、富铝相的梯度扩散层的三层结构,这种结构不仅能够为表面形成保护性的Al2O3膜提供Al源,还能增强涂层与基体的结合力;Y元素的存在也能减缓氧化速率和提高氧化层的粘附性,从而使得Al-Y梯度涂层表现出优异的抗高温氧化性能。950℃时表面以Al2O3为主的氧化层已经退化,得益于梯度扩散层的结构以及活性元素Y的存在,使得整个氧化层与基体没有发生大面积的剥落并且在涂层与基体界面处形成致密的Al2O3层,Al-Y梯度涂层依旧表现出良好的抗高温氧化性能。分别在不同温度下(750℃、850℃、950℃/100h)和不同时间(850℃/5h、10h、20h、50h)的NaSO盐中对Al-Y梯度涂层进行热腐蚀实验,结果表明:遭受低温热腐蚀时,对γ-TiAl合金而言NaSO盐的存在加速合金的氧化,Al-Y梯度涂层表面致密的保护性氧化层,能够有效的阻挡O、S原子向基体内部扩散,长时间为提供γ-TiAl合金保护;遭受高温热腐蚀时,γ-TiAl合金发生了硫化—氧化,并伴随着碱性性熔融,导致基体合金出现灾难性的腐蚀失效,Al-Y梯度涂层表面Al2O3层发生碱性溶解,但是由于Y不仅能够优先与S反应,减少Al元素在腐蚀初期因硫化而产生的消耗,还能够“捕获”扩散至合金基体内的S,以及Al-Y梯度涂层中的梯度结构的存在都有效的减缓了热腐蚀发生,表现出良好的抗热腐蚀性能。

关键词： γ-TiAl合金射频磁控溅射技术真空扩散工艺 Al-Y梯度涂层高温氧化热腐蚀

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