TiAlSi(Y)N涂层对钛合金高温氧化腐蚀和力学行为的影响

摘要

钛合金密度低、比强度高，是航空发动机压气机的关键材料。然而，钛合金在海上或近海环境中服役时在高温盐和水蒸气共同作用下腐蚀加剧，在沙漠环境中强烈的沙尘冲刷下破损严重。施加表面防护涂层可提高钛合金耐腐蚀和抗冲刷性能。涂层往往会影响基体的疲劳性能，因而开展兼备优异耐腐蚀和抗冲刷性能又不显著降低合金疲劳性能的涂层研究具有重要意义。
　　本论文采用电弧离子镀技术在两种钛合金上制备了三种复合氮化物涂层:在TA11钛合金上制备了Ti0.5Al0.45Si0.05N/TiN与Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN复合涂层（底层为TiN），在TC4钛合金上制备了Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN和Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN涂层。研究了涂层对TA11合金650℃和750℃恒温氧化以及450℃-650℃盐和水蒸气共同作用下腐蚀行为，以及涂层对TC4合金的抗冲刷性能和室温疲劳行为的影响。
　　氧化和腐蚀结果表明:Ti0.5Al0.45Si0.05N/TiN与Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN复合涂层显著提高了TA11合金的抗氧化和耐固态NaCl和水蒸气协同作用腐蚀性能。氧化过程中，两种涂层表面均形成了的连续致密的rutile-TiO2+α-Al2O3混合氧化物膜;其中，Ti0.5Al0.45Si0.05N/TiN涂层由于Al含量较高，抗氧化性能优于Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN涂层。在高温固态NaCl和水蒸气共同作用下，TA11合金腐蚀严重，腐蚀产物膜厚且剥落严重，合金基体中发生了内氧化;在450℃，两种涂层样品表面均形成了薄而连续致密的TiO2+Al2O3腐蚀产物，在550℃和650℃，涂层表面的氧化产物TiO2和Al2O3与环境中的NaCl和H2O反应，生成复合氧化物Na1.97Al1.82Ti6.15O16和Na4Ti5O12，腐蚀产物变厚。
　　力学性能结果表明:TC4基体上Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN和Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN涂层的显微硬度分别为1708HV与2144HV，是基体(326HV)的5倍和6.5倍。抗冲刷性能按优劣排序为:Ti0.48Al0.48Y0.04N/TiN＞Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN＞＞TC4，与按硬度大小排序一致，表现出了与硬度较好的相关性。涂覆Ti0.6Al0.3Si0.1N/TiN涂层的TC4和TC4基体的条件疲劳极限分别为547MPa和574MPa，施加涂层后合金疲劳极限降幅低于5％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钛合金

1．1．1 工业纯钛

1．1．2 钛合金及其分类

1．1．3 钛合金的发展及应用

1．2 钛合金高温防护涂层

1．2．1 扩散涂层

1．2．2 金属包覆涂层

1．2．3 搪瓷涂层

1．2．4 氮化物陶瓷涂层

1．3 涂层制备技术

1．3．1 化学气相沉积技术

1．3．2 物理气相沉积技术

1．3．3 阴极电弧离子镀技术

1．4 本论文的研究背景和内容

第2章 实验材料及分析方法

2．1 实验材料及样品制备

2．1．1 实验基材

2．1．2 氧化、腐蚀、冲刷样品的制备

2．1．3 疲劳实验样品的制备

2．1．4 涂层的制备

2．2 分析测试方法

2．2．1 扫描电子显微镜

2．2．2 X射线衍射

2．2．3 电子探针分析

第3章 涂层的高温氧化和盐水蒸气协同腐蚀行为

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 涂层的制备

3．2．2 恒温氧化

3．2．3 盐水蒸气协同作用腐蚀

3．3 实验结果

3．3．1 涂层的制备态特征

3．3．2 恒温氧化

3．3．3 盐水蒸气协同作用腐蚀

3．4 分析讨论

3．4．1 恒温氧化

3．4．2 盐水蒸气协同作用腐蚀

3．5 本章小结

第4章 涂层的硬度与抗冲刷性能

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 涂层的制备

4．2．2 硬度实验

4．2．3 冲刷实验

4．3 实验结果

4．3．1 涂层的制备态特征

4．3．2 硬度

4．3．3 冲刷

4．4 分析讨论

4．4．1 硬度

4．4．2 冲刷

4．5 本章小结

第5章 涂层对钛合金室温疲劳性能的影响

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 涂层的制备

5．2．2 旋转弯曲疲劳实验

5．3 实验结果

5．3．1 S-N曲线

5．3．2 疲劳断口分析

5．4 分析讨论

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢