钛合金抗氧化涂层的研究

摘要

钛合金具有质量轻，力学性能好的特点，其主要应用在航空发动机的风扇、压气机中，如压气机盘、叶片、导航仪、连接环等，使用钛合金替代原镍基高温合金可使压气机的重量降低30％～35％。在飞机飞行过程中钛合金所遭受的高温腐蚀程度要高于600℃，而传统的钛合金在空气中长期使用的温度大约为540～600℃，超过这一温度就会造成过度的氧化以及氧向基体扩散而引起的氧脆。Ti60、BT-8合金是我国推出的高温钛合金。但在600℃以上空气中长期暴露，会在合金表面产生富氧层，严重影响合金的力学性能。为了提高飞机发动机的使用寿命，对作为发动机压气机转子和叶片材料的钛合金进行表面涂层改性，并研究涂层的抗氧化腐蚀性能是十分必要的。以往的保护涂层主要采用电子束蒸发镀和低压等离子喷涂的方法，其膜层较厚且厚度难以准确控制。本文采用多弧离子镀方法沉积保护涂层，研究其组织结构和抗氧化性能。
　　首先，本文试验研究了Ti60及BT-8钛合金在600℃-800℃的氧化动力学和氧化组织结构。结果表明，Ti60合金相比于BT-8合金，具有更好的抗氧化性能。
　　其次，选用Ti60作为基体材料，通过阴极多弧离子镀方法沉积了含铝量较高的NiCrAlYSi抗氧化涂层。随着氧化温度的增高，在650℃时有Al3Ni(112)单晶相析出，并观察到Al2O3晶体相，涂层具有较好的抗氧化效果。在800℃时，涂层的晶相与600-650℃时差别较大，以CrγAlX合金相为主。随着氧化温度的升高涂层中氧含量大大增加，合金相结构和成分发生变化，抗氧化性能下降;800℃的氧化层中发现有Ti元素的存在，表明环境氧穿过氧化层加速了氧与基体的氧化反应。
　　最后，试验结果表明采用阴极多弧离子镀技术在Ti60合金基体上制备的NiCrAlYSi涂层，具有良好的抗氧化保护作用。

目录

声明

摘要

引言

第1章 绪论

1．1 选题意义

1．2 钛的基本性质

1．2．1 钛及钛合金的基本性质

1．2．2 钛合金的分类

1．2．3 钛合金的应用

1．3 国内外对钛合金氧化方面的研究现状

1．4 NiCoCrAlYSi高温抗氧化涂层

1．4．1 抗氧化涂层设计原理

1．4．2 影响材料抗高温氧化性能的主要因素

1．4．3 镍基合金涂层

1．4．4 反应元素效应

1．5 沉积技术对涂层材料的选择

第2章 钛合金的氧化行为

2．1 钛合金的氧化

2．1．1 钛合金的氧化及其氧化物

2．1．2 钛的氧化行为

2．1．3 钛合金氧化的危害

2．2 氧化方案

2．2．1 高温氧化增重法

2．3 研究高温氧化行为所用的仪器及其原理

2．3．1 扫描电子显微镜的原理

2．3．2 X射线衍射(XRD)分析方法的原理

2．4 高温氧化实验及分析

2．4．1 实验材料

2．4．2 实验方法

2．5 实验结果与讨论

2．5．1 钛合金氧化试验数据

2．5．2 Ti60合金和BT-8氧化后的表面相结构

2．5．3 Ti60氧化层表面形貌分析

2．5．4 BT-8氧化层表面形貌

2．6 本章小结

第3章 抗氧化涂层制备及对钛合金抗氧化性的影响

3．1 多弧离子镀技术

3．1．1 多弧离子镀的基本原理

3．2 实验设备及参数

3．2．1 多弧离子镀设备

3．2．2 真空系统

3．2．3 实验工艺与参数

3．3 涂层的检测结果与分析

3．3．1 氧化动力学

3．3．2 氧化层表面相结构

3．3．3 表面形貌

3．3．4 氧化层截面分析

3．3．5 荧光分析成分

3．4 结合力拉伸测试

3．4．1 试样材料及相关仪器设备

3．4．2 拉伸应力应变曲线

3．4．3 拉伸曲线对比分析

3．4．4 拉伸断口结构分析

第4章 结论

参考文献

致谢