鈦合金表面制備金屬-陶瓷復(fù)合高溫抗氧化涂層的研究前言 鈦及鈦合金在各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，鈦及鈦合金不能夠滿足所需的高溫下的服役環(huán)境，在其表面制備高溫抗氧化涂層是提高鈦及鈦合金高溫抗氧化能力的有效方法。本文通過(guò)在鈦表面制備金屬-陶瓷復(fù)合涂層來(lái)提高材料的耐高溫氧化性能。 本文制備了Al/Ni涂層以及Al/Ni-Al2O3和Al/Ni-WC復(fù)合涂層兩種金屬-陶瓷耐高溫涂層，對(duì)于涂層的金屬間化合物形成機(jī)理以及擴(kuò)散反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并且研究涂層的抗氧化性能。 實(shí)驗(yàn)材料 基體材料為牌號(hào)為TA1的純鈦，化學(xué)成分見表2.1，利用超音速火焰噴涂和電弧噴 涂制備涂層，分別采用300目的Ni-Al2O3以及Ni-WC粉材（其中陶瓷相的含量為10%） 和Φ2.0mm的Al絲材，其成分見表2.2。 不同環(huán)境下熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn) 研究Al/Ni涂層、Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層以及Al/Ni-WC復(fù)合涂層的熱處理導(dǎo)致的擴(kuò)散行為，按照加熱溫度將實(shí)驗(yàn)分為六組，并進(jìn)行對(duì)比，具體見表2.6.
圖3.1為Al/Ni復(fù)合涂層制備后未經(jīng)熱處理以前的涂層截面組織形貌。由圖3.1可見，涂層分層良好其中存在部分孔隙。 表3.1為Al/Ni涂層的孔隙率，由表3.1可見，Al/Ni涂層的孔隙率為3.51%。 圖3.3為Al/Ni復(fù)合涂層經(jīng)過(guò)700℃熱處理1h，5h，10h，20h后涂層截面部分的組織形貌。由圖可見，隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)至10h，Al層逐漸消耗形成了大量的NiAl3相漂浮于Al層中，形成了明顯的NiAl3層以及Ni2Al3層。Ni2Al3層熔點(diǎn)較高且比較穩(wěn)定，但此加熱時(shí)間下生成的Ni2Al3化合物層厚度較薄。 圖4.1為Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層噴涂后未經(jīng)熱處理后的組織形貌。由圖4.1可見，涂層分層良好其中存在部分孔隙。由上至下分別為Al層、Ni-Al2O3層以及NiCrAlY打底層。 表4.1為Al/Ni-Al2O3涂層的孔隙率，由表4.1可見，Al/Ni涂層的孔隙率為4.56%。
圖4.3為Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層700℃下熱處理1h，5h，10h，20h后涂層截面部分的組織形貌。圖4.5為Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層800℃下熱處理1h，5h，10h和20h后的組織形貌。
圖5.1為Al/Ni-WC復(fù)合涂層噴涂后未經(jīng)熱處理后的組織形貌。由圖5.1可見涂層中存在明顯的分層并且存在少量孔隙。由上至下分別為Al層、Ni-WC層以及NiCrAlY打底層，圖中Al層厚度約為250μm，Ni-WC層厚度約為200μm，NiCrAlY打底層為50μm。
圖5.3為Al/Ni-WC復(fù)合涂層700℃下熱處理1h，5h，10h，20h后涂層截面部分的組織形貌。 圖5.5為Al/Ni-WC復(fù)合涂層800℃下熱處理1h，5h，10h，20h后涂層截面部分的組織形貌
總結(jié) 經(jīng)過(guò)各種表征分析以及涂層抗高溫氧化性能分析后，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論 （1）Al/Ni復(fù)合涂層，在700℃的熱處理中，形成了Al2O3、Ni2Al3以及富鋁相NiAl3相為主的擴(kuò)散層。 （2）Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層以及Al/Ni-WC復(fù)合涂層，在700℃、800℃的熱處理中，Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層主要形成了Al2O3、NiAl3、Ni2Al3為主的擴(kuò)散層，Al/Ni-WC復(fù)合涂層形成了Al2O3、NiAl3、Ni2Al3、WC為主的擴(kuò)散層。相比于Al/Ni復(fù)合涂層組織分布更加均勻，形成的化合物層更厚，且Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層形成較厚的熔點(diǎn)更高的Ni2Al3層。 （3）700℃和800℃熱處理?xiàng)l件下的Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層的Ni和Al之間的反應(yīng)擴(kuò)散系數(shù)（K）分別為11.02和35.39。700℃和800℃熱處理?xiàng)l件下的Al/Ni-WC復(fù)合涂層的Ni和Al之間的反應(yīng)擴(kuò)散系數(shù)（K）分別為21.26和30.43。因此800℃熱處理?xiàng)l件下的Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層的擴(kuò)散速率更高，形成了更厚的Ni-Al金屬間化合物層。 （4）通過(guò)氧化增重實(shí)驗(yàn)，得到三種涂層熱處理后的高溫抗氧化性能：800℃熱處理Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層＞800℃熱處理Al/Ni-WC復(fù)合涂層＞700℃熱處理Al/Ni-Al2O3復(fù)合涂層＞700℃熱處理Al/Ni-WC復(fù)合涂層＞700℃熱處理Al/Ni復(fù)合涂層。因此在Ni層中增加陶瓷相以后，金屬-陶瓷復(fù)合涂層的高溫抗氧化能力明顯好于Al/Ni復(fù)合涂層，對(duì)Ti基體的保護(hù)效果更好。 參考文獻(xiàn)： 【鈦合金表面制備金屬-陶瓷復(fù)合高溫抗氧化涂層的研究】 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文-李光全 |
