AlCr(Si)N和CrAl(Si)N涂层对TiAl合金900℃循环氧化性能的影响

摘要

TiAl合金作为新型高温结构材料在航空航天和汽车工业领域已获应用,然而在850℃及以上温度服役时抗氧化性不足,施加氮化物涂层在提高TiAl合金抗氧化性和耐磨性等综合性能方面独具优势,目前关于氮化物涂层对TiAl基合金抗氧化性影响的研究有限。采用多弧离子镀方法在TiAl合金表面分别制备AlCrN涂层、AlCrSiN涂层、CrAlN涂层和CrAlSiN涂层,研究涂层对TiAl合金900℃循环氧化行为的影响。XRD结果表明,AlCrN和AlCrSiN涂层主要呈现AlN结构,而CrAlN和CrAlSiN涂层为CrN结构。在AlCrSiN和CrAlSiN涂层中,Si可能固溶于晶格中形成(Al,Cr,Si)N和(Cr,Al,Si)N固溶体。在900℃经过300个周期的循环氧化,AlCrN和AlCrSiN涂层表面氧化膜主要由Al2O3组成,热循环过程中涂层中形成大量裂纹。CrAlN和CrAlSiN涂层表面氧化膜主要由Cr_(2)O_(3)组成,连续致密,无开裂剥落。其中CrAlN涂层表面Cr_(2)O_(3)膜下面形成了Al的内氧化物,其氧化增重高于CrAlSiN涂层。此外,CrAlN和CrAlSiN涂层均与TiAl合金发生较严重的互扩散,在CrAlN/TiAl界面和CrAlSiN/TiAl界面处形成较厚的互扩散层。可见,CrAlN和CrAlSiN涂层显著提高了TiAl合金的抗高温氧化性能,而涂层中Si的添加使得涂层抗氧化性得到进一步的提升。研究结果可为TiAl合金施加氮化物涂层高温防护提供潜在可能。