钛合金表面热障涂层的制备与研究

【摘要】： α+β型高温钛合金以其优秀的比强度和600°C以下的良好高温表现,成为航空航天领域最广泛应用的材料之一。但两类问题的存在阻碍了其高温下力学性能的发挥:1、高温、腐蚀性的外部环境会导致钛合金表面氧化、近表面脆化;2、高温下钛合金组织稳定性下降,长时间热暴露后析出脆性有序相,降低钛合金室温塑性和断裂韧性。在钛合金表面沉积兼具抗氧化、隔热性能的热障涂层(Thermal Barrier Coating, TBC)可以同时解决上述两类问题,拓宽传统钛合金的服役温度和范围,提升效率、节约能源。 本论文首先研究了钛合金表面以NiCoCrAlY为粘结层(Bond Coating, BC),8wt.%Y2O3部分稳定的ZrO2(8YSZ)为陶瓷隔热层的传统双层热障涂层的高温行为及失效机理。在这基础上,本论文提出了一种适合钛合金的新型的抗氧化粘结层材料TiAlAg合金及其高效的热喷涂制备方法。最后,本研究在TiAlAg表面使用电子束物理气相沉积(Electron Beam-Physical Vapour Deposition, EB-PVD)沉积了8YSZ陶瓷层,构成了以TiAlAg为粘结层、8YSZ为隔热层的适合钛合金基体的新型热障涂层,并观察和研究了其高温行为和失效机理。论文中使用了改进的ASTM定向拉拔、热循环和等温静置等实验方法以及光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、显微压痕等分析手段,配合有限元模拟技术,系统的研究了传统和新型热障涂层的高温行为规律和失效机理。本研究主要内容和结论如下: 一、分别用EB-PVD和超音速火焰喷涂(High Velocity Oxyfuel Spraying, HVOF)在钛合金表面沉积NiCoCrAlY并统一以EB-PVD在表面沉积8YSZ陶瓷层,制备了传统热障涂层并研究了其高温行为: 1.钛合金表面EB-PVD沉积的NiCoCrAlY致密均匀,与基体结合紧密,“阴影效应”导致其表面EB-PVD陶瓷层组织细密,硬度高,力学性能好,因而系统热循环性能较好,800°C实验35min×220后表面基本观察不到宏观裂纹,但等温静置性能由于过早形成有害的扩散层而表现较差,800°C寿命少于24h;而HVOF沉积的NiCoCrAlY疏密不均,与基体结合界面充满微观缺陷,其上层EB-PVD陶瓷层晶粒粗大,柱状晶间结合疏松,显微硬度较低,力学性能差,因而系统热循环性能较差而等温静置性能由于缺陷对于有害扩散的阻碍而表现较好,800°C寿命大于36h。 2. Ni基粘结层与Ti基基体间化学性能不匹配是钛合金表面传统热障涂层高温下快速失效的本质原因:高温下粘结层内Ni、Co等元素向基体内部急剧扩散,短时期内生成150~300μm厚的扩散层。扩散层主要物质为Ti2Ni(2Ti+Ni Ti2Ni),该相室温硬度较高(700~850HV)而高温力学性能较差。由于NiCoCrAlY与基体间线膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)相差悬殊,室温时系统最大径向拉应力高达~750MPa,轴向拉应力达~154MPa,高温时径向与轴向拉应力高达20~40MPa。在热应力作用下,系统粘结层产生纵向裂纹,扩散层产生横向裂纹,导致基体直接暴露于外界环境而失效。 二、通过低压等离子喷涂(Low Pressure Plasma Spray, LPPS)和惰性气体保护预处理技术在钛合金表面原位制备Ti-Al-Ag三元合金粘结层,并研究其抗氧化性能: 1.将市售γ-TiAl(粒径~75μm)和Ag粉(~50μm)混合,湿法球磨获得γ-TiAl粒径为0.1~10μm,Ag粒径~10μm的混合粉体。通过低压等离子喷涂将喷雾干燥法获得的热喷涂用混合粉体沉积于基体,试样于真空热处理炉由惰性气体Ar保护,820°C热处理5h后获得单质Ag溶于γ-TiAl基体内形成的Ti-Al-Ag三元涂层,其内检测到明显Z相(Al3Ti5O2)。 2. 750~800°C氧化长达100h,三元涂层外表面形成以α-Al2O3为基的氧化膜,表面局部突起TiO2颗粒,随着Ag的增加TiO2颗粒逐渐从穿越富Al氧化膜转变为粘附于富Al氧化膜表面,表面氧化膜内Al2O3含量约为TiO2的3倍。含4at.%Ag的涂层具有最好的抗氧化性能:700°C时100h氧化增重约为0.8mg/cm2,800°C时其100h氧化增重约为1.0mg/cm2。Ag带来的抗氧化作用可能是由于其降低了表面氧化膜中的θ-Al2O3向α-Al2O3相变所需要的能量,提高了相变速度所致。Ag的加入还增强了涂层抗剥落能力、降低了涂层表面粗糙度、减小了氧化膜厚度,减少了涂层内的内氧化率。 三、在TiAlAg涂层表面使用EB-PVD技术沉积了8YSZ陶瓷,构成了适合钛合金基体的新型热障涂层,并研究了其高温行为: 1. 800~850oC高温下等温静置100h后,TGO始终保持富Al特性;定向拉拔实验断裂面随着TGO与面层的结合程度的增加从面层/粘结层界面附近,转向深入粘结层内部,最后由于TGO的生长减缓,断裂面又恢复至面层/粘结层界面附近;热循环导致在陶瓷层表面萌生垂直于热障涂层界面的纵向裂纹,但由于新型粘结层与基体的较好匹配性,裂纹扩展至粘结层即不再前进,使得粘结层与基体的界面成为系统中最为稳定的部位。 2.新型热障涂层的高温失效源于TGO的热喷涂本征缺陷,高温长期服役中的热应力又进一步降低了其致密度,由于外界气氛的长期渗透,在粘结层次表面富Ti区或更深部位生成低强度的Ti/Al混合氧化膜,一旦受到面外拉应力后即在粘结层近面层/粘结层界面处产生横向层状分离,导致了粘结层的失效。