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如何提高鈦合金的抗高溫氧化性能？

發(fā)布者：2021-04-08 10:08:28
鈦合金因具有高強(qiáng)度、低比重等優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。目前，鈦合金的使用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是否先進(jìn)的重要指標(biāo)之一，由鈦合金制備而成的轉(zhuǎn)子盤、葉片已普遍使用于先進(jìn)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。然而，在高溫使用條件下，氧元素的擴(kuò)散滲入會(huì)造成鈦材的表面氧化，進(jìn)而嚴(yán)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(dāng)前研究熱點(diǎn)。

鈦合金的高溫氧化

1.1 純鈦的氧化

當(dāng)溫度在500℃以下時(shí)，純鈦的性能較為穩(wěn)定，然而隨著溫度的繼續(xù)升高，氧元素不斷滲入到鈦晶格中并與鈦基體發(fā)生反應(yīng)，在鈦材表面生成大量的金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2 氧化物。而金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2 結(jié)構(gòu)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(huán)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(huì)改變鈦合金的力學(xué)性能，還會(huì)影響其抗高溫氧化能力。其中，當(dāng)鈦中Al 元素的含量達(dá)到一定濃度后，親氧性 Al 元素會(huì)優(yōu)先與氧發(fā)生反應(yīng)，在鈦基表面形成一層連續(xù)、致密、穩(wěn)定的Al2O3 氧化膜，進(jìn)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(jìn)Al2O3 氧化膜的形成，另一方面含Cr 相的互溶區(qū)可形成一定的擴(kuò)散層，當(dāng)鈦基覆蓋有Al 防護(hù)涂層時(shí)，該擴(kuò)散層可有效抑制Ti、Al 元素的互擴(kuò)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(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改變了鈦合金的組織形態(tài)及氧化膜形態(tài)以提高其抗高溫氧化性能。然而研究表明， 當(dāng)合金元素的加入量較小時(shí)，并未對合金的抗氧化性能起到影響，只有當(dāng)合金元素加入量較高時(shí)，才會(huì)有較好效果。但是，過量的合金元素會(huì)嚴(yán)重影響合金的力學(xué)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(shù)

對目前鈦合金的抗高溫氧化表面工程技術(shù)而言，根據(jù)防護(hù)性涂層與鈦基體結(jié)合方式的不同，可分為擴(kuò)散涂層與包覆涂層。擴(kuò)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(shí)又不破壞其整體力學(xué)性能。目前常用的表面合金化方法有擴(kuò)散滲技術(shù)、熔結(jié)涂層技術(shù)、離子注入技術(shù)和預(yù)氧化、硫化、滲氮等。

擴(kuò)散滲技術(shù)：已有學(xué)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(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng)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(jìn)而在鈦基合金表面形成連續(xù)、致密、穩(wěn)定的Al2O3 等氧化膜，對鈦基起到了很好的抗高溫氧化作用。
擴(kuò)散滲技術(shù)因其抗高溫氧化效果優(yōu)良且操作工藝簡單而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但該方法存在耗時(shí)長，對能源消耗量巨大且易對環(huán)境造成污染等劣勢。
熔結(jié)涂層技術(shù)：與擴(kuò)散滲技術(shù)相比，熔結(jié)涂層技術(shù)更加環(huán)保與經(jīng)濟(jì)。熔結(jié)即金屬表面短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的高溫冶金反應(yīng)，通過熔結(jié)涂層技術(shù)制備而成的防護(hù)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(shù)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(kuò)散速率，提高了鈦基體的抗高溫氧化能力。但離子注入技術(shù)的注入深度太淺，對基體防護(hù)能力有限，這也正是離子注入技術(shù)的弱點(diǎn)所在。
相對于整體合金化和擴(kuò)散涂層而言，在鈦合金表面直接制備防護(hù)性涂層則更加經(jīng)濟(jì)與便捷，在高溫氧化環(huán)境下，涂層表面可形成連續(xù)致密穩(wěn)定的氧化膜，對基體材料起到較好的防護(hù)作用。根據(jù)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(shù)。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(hù)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(shí)形成連續(xù)致密的Al2O3 氧化膜，Cr 的存在可以促進(jìn)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(hù)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(yàn)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(shí)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(fā)生互擴(kuò)散，從而縮短了涂層的使用壽命。目前，學(xué)者們通過在涂層與鈦基間添加擴(kuò)散阻擋層以抑制元素的互擴(kuò)散。

TiAl-X 系列涂層：此類涂層的化學(xué)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(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng)。在高溫氧化過程中，TiAl-X 涂層表面能快速生成Al2O3 防護(hù)膜進(jìn)而對鈦基體起到良好的保護(hù)作用。另外TiAl-X 涂層與鈦基的熱膨脹系數(shù)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(shù)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(yè)應(yīng)用。
搪瓷涂層：此類涂層為一種新型的復(fù)合氧化物涂層，其具有高溫抗氧化性好，穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)。且該涂層制備工藝簡單，成本低廉，有望廣泛應(yīng)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?zé)七^程中于鈦合金中形成富氧層，進(jìn)而影響到鈦合金的力學(xué)性能，這也是搪瓷涂層有待改善的關(guān)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(kuò)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(shù)有待進(jìn)一步研究。

抗高溫防護(hù)涂層不僅應(yīng)具有良好的抗高溫氧化能力，還應(yīng)與基體結(jié)合緊密。另外，高溫下涂層元素與鈦基體元素不易發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng)，目前來看，單一涂層很難同時(shí)滿足上述條件，而復(fù)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(shù)在γ-TiAl 合金表面制備NiCrAlY/Al 復(fù)合涂層，結(jié)果表明：該復(fù)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(diǎn)，將多種不同表面合金化技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，則可起到更好的防護(hù)作用。

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