【摘 要】
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钛合金密度低、强度高,是航空发动机压气机的关键材料。但是,钛合金在500℃及以上温度服役时抗氧化性能不足,尤其在海洋大气环境中,钛合金遭受Cl-、O和水蒸气等的协同腐蚀,其腐蚀速率不仅远高于空气的氧化速率,甚至在较低的温度下,合金亚表面就会生成厚的脆性溶氧层,致使合金的力学性能显著下降。表面施加防护涂层可以提高钛合金的高温耐蚀性。本文设计、制备了厚度大于10μm的Ti（Al）N单层和Ti（Al）N
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钛合金密度低、强度高,是航空发动机压气机的关键材料。但是,钛合金在500℃及以上温度服役时抗氧化性能不足,尤其在海洋大气环境中,钛合金遭受Cl-、O和水蒸气等的协同腐蚀,其腐蚀速率不仅远高于空气的氧化速率,甚至在较低的温度下,合金亚表面就会生成厚的脆性溶氧层,致使合金的力学性能显著下降。表面施加防护涂层可以提高钛合金的高温耐蚀性。本文设计、制备了厚度大于10μm的Ti（Al）N单层和Ti（Al）N/Ti（复合）多层涂层,还采用一种新技术——高真空多弧离子镀技术（HVAIP）制备了 TiAl涂层,研究了上述涂层对Ti-6Al-4V合金高温腐蚀行为的影响。采用NaCl-H2O-O2环境的高温热天平、循环氧化装置等研究了涂层在450℃～750℃的氧化动力学,用带能谱的扫描电镜、透射电镜、电子探针、X射线衍射等仪器,对高温腐蚀前后涂层样品的形貌、组成、结构和残余应力等进行了测量和研究,用有限元方法计算了热循环过程中涂层内应力的变化。获得的主要结果如下:多弧离子镀方法制备的Ti/Ti（Al）N（复合）多层涂层中,Ti（Al）N层呈柱状晶结构,Ti层呈等轴晶结构,Ti层的引入阻断了 Ti（Al）N层连续柱状晶的生长;随Ti层厚度的增加,涂层熔滴的数量增多、尺寸变大,粗糙度值也随之增大。在固态NaCl-H2O（g）-O2环境中,TiN单层涂层和Ti子层厚度0.2 μm的Ti/TiN多层涂层在450℃、以及TiAlN单层涂层和Ti子层厚度0.15 μm的Ti/TiAlN（复合）多层涂层在600℃都表现出较好的耐蚀性。原因主要在于Ti（Al）N涂层抑制了Cl-诱发的加速腐蚀。随着（复合）多层涂层中Ti层厚度的增加,涂层的高温耐蚀性下降。原因主要在于:腐蚀介质通过（复合）多层涂层Ti（Al）N陶瓷层中的贯穿性缺陷向内扩散,与Ti金属层发生反应,Ti层氧化时体积膨胀明显,挤压周围陶瓷层使其变形甚至开裂,腐蚀介质更容易进入到涂层内部;Ti层厚度的增加导致涂层中熔滴缺陷增多,也给涂层的耐蚀性带来不利影响。在600℃,Ti（Al）N单层和Ti/TiN多层涂层以及Ti/TiAlN复合多层涂层都表现出较好的抗循环氧化性能,TiAlN单层和Ti/TiAlN复合多层涂层抗氧化性能明显优于TiN单层和Ti/TiN多层涂层。Ti子层厚度对（复合）多层涂层的高温抗氧化性能没有显著影响。在600℃,Ti/TiN多层涂层不稳定,Ti层与N几乎完全反应形成了 Ti2N,形成了 Ti/Ti2N多层涂层。而Ti/TiAlN复合多层涂层在600℃是稳定的,TiAlN子层和Ti子层未发生明显互扩散和反应。750℃循环氧化后,TiAlN单层厚涂层和Ti子层厚度0.15 μm的Ti/TiAlN复合多层涂层虽然表面氧化膜很薄,但涂层中形成了较多的裂纹;而Ti子层厚度0.3μm的Ti/TiAlN复合多层涂层氧化后不仅涂层表面氧化膜很薄,而且涂层中并未形成裂纹,表现出较好的抗氧化性能。在热循环的降温过程中,涂层承受着较大的压应力,在其作用下界面附近钛合金局部的弹塑性变形导致了 TiAlN单层和Ti（0.15 μm）/TiAlN复合多层涂层中裂纹的萌生和扩展,裂纹最终发展成上窄下宽的三角形形貌。Ti（0.3 μm）/TiAlN复合多层涂层中0.3 μm厚的Ti子层的塑性变形可使涂层应力得以部分松弛,同时减小了涂层脆性,因此涂层在热循环中未形成裂纹。高真空多弧离子镀技术沉积的TiAl涂层由γ-TiAl和α2-Ti3Al两相组成。沉积偏压对涂层成分和显微结构影响较大,例如偏压从0V到-350 V时,涂层中Al含量由49%下降到41%,相对减少了大约16%,孔隙率从3.12%下降到0.44%,大幅度下降了86%。HVAIP TiAl涂层700℃氧化后表面形成了富Al2O3的氧化膜,表现出优良的抗高温氧化性能。氧化后,低偏压下沉积的TiAl涂层内部生成了许多内氧化物,而高偏压下沉积的涂层由于结构致密而完全抑制了内氧化的发生,表明高偏压沉积更有利于提高TiAl涂层的抗氧化性能。
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