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SiO_2涂层对TiAl基合金抗高温氧化性能的影响研究

李忠磊  
【摘要】: TiAl基合金与传统的高温合金相比,由于具有密度低,比刚度、比强度高,抗蠕变性能优良等优点,成为新一代航天航空业、汽车工业发动机的后选材料。其室温塑性差已通过添加合金元素和调控显微组织等手段基本得到解决,进一步提高其高温抗氧化性能,从而更大限度地发挥其性能优势,已成为需要重点研究和解决的问题之一。 表面涂层是改善合金抗高温氧化性能的常用措施之一。本文探索了在TiAl基合金表面进行SiO_2溶胶-凝胶(sol-gel)涂膜的新工艺,采用旋涂法对TiAl试样进行涂膜后,将其包埋于活性碳粉中缓慢加热至1000℃保温4h。分别对4组TiAl试样进行一次、二次、三次和四次涂膜热处理以获得复合涂层,并分别在900℃高温静态空气中进行循环氧化试验,研究了涂膜次数对TiAl基合金抗高温氧化性能的影响,探讨了涂层形成机理及抗氧化机理。 实验结果表明:SiO_2溶胶在TiAl基体表面进行涂膜热处理可以显著提高TiAl合金在900℃静止空气中的抗高温循环氧化能力。TiAl基试样进行三次涂膜热处理工艺后具有最佳的抗氧化性能:在900℃循环氧化504h后,增重仅为0.2143 mg/cm~2。 TiAl基体进行涂膜热处理后试样表层形成复合层。由表及里分别为SiO_2层—Al_2O_3层—钛硅化合物层—Ti_2Al层—TiAl片层组织基体。涂敷在TiAl试样表面的SiO_2溶胶在低温转变为SiO_2凝胶,凝胶在500℃成为龟裂的非晶态SiO_2层,在更高温度热处理时,SiO_2、残余O_2与基体发生反应形成复合涂层:O_2+TiAl+SiO_2→Al_2O_3+Ti_5Si_3+TiSi_2和TiAl+O_2→Al_2O_3+Ti_2Al。 涂膜TiAl基试样经900℃循环氧化后,复合层增厚。对于涂膜试样,SiO_2层完整无缺陷处氧化后表面形貌及物相组成基本和氧化前相同,由于SiO_2层的存在,使TiAl高温氧化时表面的氧分压显著降低,而发生选择性氧化,优先生成具有保护作用的Al_2O_3;而在无SiO_2层保护处,TiAl基体直接暴露于大气,高温氧化时,形成Al_2O_3和TiO_2的混合氧化层,不能很好地起到防止进一步氧化的作用。 在多次涂膜过程中,后一次涂膜可将前一次涂膜时的大部分裂缝掩盖,从而使其抗高温氧化性能得到进一步提高。然而,由于多次涂膜使膜的总厚度增加,过多次数涂膜反而使得膜自身发生开裂剥落。试验结果表明,三次涂膜试样的抗氧化性能最优,氧化前后表层结构基本一致,即便氧化后缺陷处也只生成了微量的TiO_2。涂敷SiO_2涂层的TiAl合金显示优异抗高温氧化性能的原因,除在于形成连续SiO_2层和Al_2O3层外,还在于在靠近TiAl基体处钛硅层的存在。一方面,钛硅层本身具有较好的抗高温氧化性能,另一方面,在氧化过程中还起到缓和基体与涂层间热应力的作用,从而有效避免SiO_2层和Al_2O_3层的剥落,对基体起到了良好的保护作用。


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