玻璃—陶瓷保护涂层的制备及在钛合金热加工过程中的应用研究

【摘要】： 钛合金具有密度低、高温强度好、抗蠕变能力强和熔点高等优点，目前已成为航空航天工业和高科技产品的热点材料。但是在高温热处理过程中，钛合金表面可能和大气中的氧发生氧化反应，在其表面形成一层氧化皮和硬而脆的表面渗层，这不仅使占投料量2.2％以上的钛合金损失掉，而且还会给后序热加工造成很大困难，甚至使整个合金工件报废。因此，在热加工过程中防止钛合金氧化是提高其产品质量和材料利用率的有效手段。涂层保护技术是解决这一问题的少数有效方法之一，比起真空保护技术和惰性气体保护热加工技术，它具有涂敷工艺简单、保护效果显著、成本低、适用于大工件的热加工等优点。本文依据所提出的保护机理和设计原则，采用高温固相反应法成功的制备了可有效地防止热加工过程中钛合金氧化、热加工完成后又易于从基体上剥落的耐高温保护涂层。主要研究内容如下： 1．在综合分析文献的基础上，研究并归纳出涂层的三种保护机理，并且根据钛合金热加工过程的实际情况，提出了六条涂层制备的基本原则，可作为高性能涂层设计及制备的准则。 2．从涂层的保护机理和设计原则出发，根据氧化物的标准生成自由能与温度的关系，采用热力学方法计算多种氧化物在热加工温度范围内的标准生成自由能，通过与TiO_2的生成自由能进行对比，初步选择出涂层的主要组分。 3．采用高温固相反应法，经过反复的筛选实验，筛选出适合制备涂层的材料。在制备过程中，系统研究了材料组分、助剂、高温熔炼速率、冷却速度、球磨时间、涂层热加工前的机械强度等诸多因素对涂层性能的影响。探索了最佳的涂层制备工艺，成功地制备了用于钛合金热加工过程中不同温度范围的保护涂层。 大连理工大学博士学位论文 4．在不同温度范围内，对涂层的保护功能，采用能谱（EDS）分析和氧化增重实 验进行了表征。结果表明：在很宽的温度范围内 G00叶200℃人 所制备的涂 层能有效的保护钛合金表面不发生氧化。 5 通过XILD考察了涂层在热加工完成后的结晶性能，发现在工件的冷却过程中， 涂层中会产生结晶相，结晶有助于涂层的剥落。但如果涂层大量结晶，冷却时 它就会过早剥落，造成仍处于高温状态的基体表面二次氧化。本文通过调整涂 层的组分，控制其在冷却过程中产生适量的结晶相，制备出了既有良好的保护 功能，又容易去除掉的保护涂层。 6．对高温润湿过程进行了热力学分析，研究了在高温条件下影响润湿过程的因 素，通过测定润湿角来考察涂层熔体的润湿能力。在制备涂层的过程中添加了 特殊的表面活性氧化物，提高涂层熔体对钛合金表面的润湿能力，使涂层对钛 合金基体有良好的保护功能。 7．根据质量方程建立了高温炉气通过涂层熔体的渗透扩散模型，并且进行了数值 求解分析和实验对比。结果表明：实验结果与模型计算分析结果变化趋势一致。