Ti65合金磷酸盐涂层抗高温氧化性能研究

目的通过表面涂层提高高温钛合金Ti65的抗高温氧化性能。方法采用喷涂法在Ti65合金基体上制备以磷酸铝为粘结剂、Al和Al/SiC为填料的两种磷酸盐抗高温氧化复合涂层。研究Ti65合金和涂层样品在650℃准等温、静态空气条件下的氧化动力学行为。用XRD和SEM/EDS分别对涂层样品氧化前后的物相组成、组织形貌和微区成分进行表征分析;用电子探针(EPMA)分析涂层样品的元素分布情况。结果650℃抗高温氧化实验结果表明,磷酸盐涂层样品的准等温氧化动力学曲线均符合抛物线规律,两种涂层样品的抛物线氧化速率常数kp分别为3.922×10^-2、1.768×10^-2 mg/(cm^2·h^1/2)和2.48×10^-2、3.385×10^-4 mg/(cm^2·h^1/2),均小于Ti65合金,氧化增重显著降低。以Al/SiC为填料的磷酸铝涂层的抗氧化性能最好,氧化1000 h,质量增加0.20 mg/cm^2,约为Ti65基体氧化增重(1.13 mg/cm^2)的1/6。微观分析结果表明,两种磷酸盐涂层样品在650℃准等温氧化后,涂层与基体形成扩散层,生成TiAl3金属间化合物,涂层表面均保持完好,没有裂纹和孔隙,有效阻止了氧元素向Ti65基体的扩散,保护基体不受氧化。结论磷酸盐涂层能有效阻止650℃温度下氧向Ti65合金基体的扩散,具有优异的抗高温氧化性能。     

纯钛表面多步合成Ti-Al梯度抗氧化涂层

以TA2工业纯钛为基体材料,通过微弧氧化技术及磁控溅射技术在TA2基体表面分别制备了氧化钛薄膜和金属铝涂层,从而形成Ti/TiO2/Al结构试样,然后进行500℃×4 h的真空扩散热处理,研究了TA2纯钛基体表面Ti、Al元素梯度过渡的复合抗氧化涂层的形成机制,以及涂层在700℃下的循环氧化性能。结果表明,Ti/TiO2/Al试样中的金属Al涂层在500℃的真空热处理过程中,不仅能够扩散至Ti基体内形成Ti-Al系列金属间化合物,而且能与TiO2中间层发生化学反应形成TiAl3+Ti Al+Al2O3复合涂层。TA2纯钛基体表面形成Ti-Al梯度抗氧化涂层后,在700℃大气环境中循环氧化50次后的氧化增重仅为无涂层试样的1/10。     

TC4钛合金沉积NiCrAlY涂层的氧化行为

采用电弧离子镀（AIP）技术在TC4（Ti-6Al-4V）钛合金基体表面沉积制备NiCrAIY涂层,测定TC4钛合金和NiCrAIY涂层在700-900℃的氧化动力学曲线。通过扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）分析与X射线衍射分析（XRD）研究TC4钛合金和NiCrAIY涂层氧化前后物相组成和组织形貌,讨论氧化过程中元素的扩散行为。结果表明：在700-900℃静态空气中氧化100h,NiCrAIY涂层能明显提高TC4钛合金的抗氧化性能,TC4钛合金氧化后形成A12O3层和TiO2层交替出现的氧化膜层;经700和800℃氧化后,NiCrAIY涂层保持其原始的相组成,但在表面形成Al2O3和Cr2O3混合氧化膜;经900℃氧化后,氧化膜由Al2O3和TiO2组成;经700℃氧化时,主要发生Ti和Ni两种元素的扩散;经800和900℃氧化时,由于Ti及Ni元素的剧烈扩散,界面附近出现Kirkendall疏孔带和约100μm的β相稳定区;经900℃氧化时,Ti扩散到涂层表面形成氧化物导致氧化速率提高,Cr元素开始向基体扩散并在近界面处富集。     

不锈钢表面振动冲击加速渗铝工艺研究

研究了利用喷丸加速制备涂层技术,对1Cr18Ni9Ti不锈钢分别进行600℃×4、6和8 h渗铝处理,研究了1Cr18Ni9Ti试样的单位面积增重、Al涂层厚度、主要元素沿涂层截面的分布;并将不同温度下获得的铝化物涂层与空白试样一起进行了高温氧化测试实验(900℃×100 h)。结果表明,在较低的温度600℃和较短的时间4 h,可以在1Cr18Ni9Ti钢基体上形成35μm厚的铝化物涂层;但抗氧化性能测试结果却表明,振动渗制处理6 h获得的铝化物涂层性能优于处理4 h和8 h的涂层。     

Ti基与Cr基氮化物涂层的抗氧化性能

选用TiN,TiAlN,CrN和CrAlN 4种涂层材料,使用电阻炉对试样加热并保温,进行抗氧化性能实验,利用SEM、EDS和XRD获得了氧化结果。结果表明:Ti基涂层的氧化机制以O原子向涂层内部扩散为主;Cr基涂层的抗氧化机制为N原子和Cr离子向涂层表面的扩散所形成的微孔诱发的氧化;Cr基涂层比Ti基涂层具有较好的抗氧化性;Al的加入使得TiAlN与CrAlN涂层的氧化性能和高温后硬度提高,特别是CrAlN氧化后生成的致密Cr2O3和Al2O3混合氧化物使其抗氧化性能达到最优;氧化及涂层与基体的热涨失配使得几类涂层最终开裂失效;四种涂层的抗氧化能力为CrAlN>TiAlN>CrN>TiN。     

Ti40/NiCrAl阻燃涂层抗氧化性能研究

采用等离子喷涂工艺在Ti40基体表面制备厚0.2~0.4mm的阻燃涂层,并利用光学和扫描电子显微镜对钛合金基体和阻燃涂层的显微结构、截面形貌进行表征,开展了钛合金和阻燃涂层在600℃下的抗氧化性能试验研究。结果表明:涂覆阻燃涂层的钛合金试样在600℃静态空气中连续氧化100h后,其氧化增重减少76%以上,氧化速率降低92%,抗高温氧化性能提高12倍;同时,SEM观察结果显示高温氧化后阻燃涂层仍保持完好,说明该涂层与试样的结合性能以及涂层的抗氧化性能较好,适应于航空发动机防钛火阻燃涂层。     

K4104高温合金AlSi涂层1000℃氧化性能研究

采用带能谱分析的扫描电镜分析了AlSi扩散涂层在1000℃、不同氧化时间条件下的表面形貌、截面组织及成分变化；用增重法记录重量变化，绘制了氧化动力学曲线，对其氧化性能进行了研究.结果表明，AlSi涂层由于Si的加入，促进了θ-Al2O3向α-Al2O3转变，有利于在涂层表面形成致密氧化膜，并且能促进在氧化皮下形成碳化物隔层，抑制涂层元素与基体元素的互扩散，从而使 AlSi涂层的抗氧化性能优于单一Al涂层.     

Ti6Al4V表面磁控溅射NiCoCrAlY涂层的组织及性能

为了提高钛合金的高温抗氧化能力,采用非平衡磁控溅射技术在Ti6Al4V钛合金的表面沉积了NiCoCrAlY涂层,通过SEM,EDS和XRD分析了涂层氧化前后的物相组成和组织形貌。结果表明:长时间沉积后,受基材原始表面状态和涂层择优生长作用的影响,涂层表面有大量微米级的细小颗粒和少量直径约10μm的圆丘形突起;NiCoCrAlY涂层成分与靶材相近。NiCoCrAlY涂层明显提高了钛合金的抗氧化性能,使其氧化增重速率大大降低。经高温氧化后,涂层与基底的界面处Ti,Ni等元素发生互扩散形成过渡层,随氧化时间延长,过渡层逐渐增厚;并且受高温作用,涂层表面化合物相晶态特征有增强的趋势。     

Si、Cr的加入对TiAlN涂层抗氧化性能的影响

比较了阴极电弧蒸发工艺制备的Ti0.45Al0.55N、Ti0.35Al0.55Si0.1N和Ti0.3Al0.55Cr0.15N涂层在850℃和900℃的抗氧化性能。通过X射线衍射仪(XRD)、高分辨率扫描电镜(HRSEM)和能谱仪(EDS),研究Si、Cr对Ti0.45Al0.55N涂层抗氧化性能的影响。结果表明:Si和Cr的加入均能有效提高Ti0.45Al0.55N涂层的抗氧化性能,细化涂层晶粒,促进Al向涂层表面扩散形成致密的Al2O3氧化层,抑制锐钛矿型TiO2向金红石型TiO2转变,提高TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层的抗氧化性能。另外,TiAlCrN涂层中Cr2O3的形成进一步提高了其抗氧化性能。     

NiCrAlY涂层对单晶镍基合金高温氧化行为的影响

通过对有无NiCrAlY涂层镍基单晶合金进行不同温度的恒温氧化动力学曲线测定及组织结构观察,研究了纳米晶NiCrAlY涂层对高Cr单晶镍基合金高温氧化行为的影响。结果表明：在高温氧化期间,无涂层试样发生明显的氧化、内氧化和内氮化,在表层为Al2O3、Cr2O3的混合氧化物,在次表层氧化物中富含元素Ta,而元素Al贫化,并在近基体区域存在内氧化物;随氧化温度升高,元素Al的贫化区尺寸增大,其中,富Ta相可抑制基体中元素Al向外扩散,延缓合金的氧化速率。合金在氧化初期增重迅速,而恒温氧化增重动力学曲线呈现起伏波动的原因,归结于表面氧化膜的形成与剥落。高Cr单晶合金经溅射NiCrAlY纳米晶涂层,可有效改善合金的抗氧化性能;有涂层试样在不同温度的恒温氧化动力学曲线仅在氧化初期有轻微增重而后趋于平稳,其形成的Al2O3氧化膜不发生明显的剥落,仅在基体近涂层/基体界面区域存在少量AlN内氮化物。     

Improved properties of Ti-Al-N coating by multilayer structure

Multinary Ti-Al-N coatings are used for various applications where hard, wear and oxidation resistant materials are needed. Here, we prepare TiAlN/TiN nano-multilayer coatings with modulation period of ~ 20 nm in order to further improve the properties of Ti-Al-N coating. Annealing of both coatings up to 700 °C results in an increase in hardness due to the precipitation of cubic Al-rich domains by spinodal decomposition. Multilayer structure results in an increase in adhesion with substrates from ~ 72 N for Ti-Al-N single layer coating to 98 N for TiAlN/TiN nano-multilayer coating. Additionally, the interfaces of TiAlN/TiN nano-multilayer coating retard the outward diffusion of metal atoms (Al and Ti) and inward diffusion of O while exposing coatings in air atmosphere with elevated temperature, and thus improve its oxidation resistance. An improved machining performance regardless of continuous cutting and milling is obtained by TiAlN/TiN nano-multilayer coated inserts, which can be attributed to the combined effects of higher adhesion with substrates and better oxidation resistance.     

Improved properties of Ti-Al-N coating by multilayer structure

Multinary Ti-Al-N coatings are used for various applications where hard, wear and oxidation resistant materials are needed. Here, we prepare TiAlN/TiN nano-multilayer coatings with modulation period of ~ 20 nm in order to further improve the properties of Ti-Al-N coating. Annealing of both coatings up to 700 °C results in an increase in hardness due to the precipitation of cubic Al-rich domains by spinodal decomposition. Multilayer structure results in an increase in adhesion with substrates from ~ 72 N for Ti-Al-N single layer coating to 98 N for TiAlN/TiN nano-multilayer coating. Additionally, the interfaces of TiAlN/TiN nano-multilayer coating retard the outward diffusion of metal atoms (Al and Ti) and inward diffusion of O while exposing coatings in air atmosphere with elevated temperature, and thus improve its oxidation resistance. An improved machining performance regardless of continuous cutting and milling is obtained by TiAlN/TiN nano-multilayer coated inserts, which can be attributed to the combined effects of higher adhesion with substrates and better oxidation resistance.     

电弧离子镀NiAlHf涂层的抗高温氧化性能

目的通过电弧离子镀技术,获得抗氧化性能优良的NiAl涂层。方法采用电弧离子镀技术,在弧流为110 A,偏压为-50 V的参数下沉积NiAlHf涂层。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层的物相结构和形貌进行分析,通过能谱仪(EDS)分析涂层的成分。采用恒温氧化增重实验对涂层的氧化动力学进行分析。结果由电弧离子镀技术制备的NiAl涂层致密均匀,无大颗粒、孔洞等缺陷。涂层主要由β-NiAl相组成,活性元素Hf固溶在主相中。NiAlHf涂层表现出良好的抗高温氧化性能,动力学曲线符合抛物线规律,在1150℃下恒温氧化200h的平均氧化速率为0.0841g/(m^2×h),远优于传统MCrAlY涂层体系。NiAlHf涂层在氧化初期形成保护性的α-Al2O3氧化皮以及少量亚稳态的θ-Al2O3,随后θ-Al2O3逐渐转变为稳态的α-Al2O3。Hf在涂层表面富集从而形成HfO2,对氧化皮形成了钉扎作用,增强了氧化皮的粘附性,提高了涂层的抗氧化性能。随着氧化的进行,涂层中的β-NiAl相逐渐转变为γ'-Ni3Al相。结论 NiAlHf涂层在1150℃下仍具备优良的抗高温氧化性能,对下一代耐更高温度涂层开发,电弧离子镀NiAl涂层的技术推广及工业化应用有一定的指导作用。     

TC4 合金表面微弧氧化制备抗高温氧化涂层

目的寻求最佳的微弧氧化工艺参数,提高钛合金的高温抗氧化性能。方法进行3因素3水平正交试验(3因素包括电压、氧化反应时间和电解液浓度),通过XRD和SEM表征微弧氧化涂层的物相和显微结构,采用650℃×100 h循环氧化试验评价涂层的抗高温氧化性能,最终利用极差分析法分析各因素对涂层试样氧化增重的影响主次,并得到最优参数组合。利用回归分析建立氧化增重与试验各参数之间的数学模型,并分析模型的显著性。结果不同工艺参数下制得的微弧氧化涂层表面形貌特征不同,涂层物相以金红石相和锐钛矿相二氧化钛为主。3个因素对涂层抗高温氧化性的影响由大到小依次为:电压时间电解液浓度。建立的氧化增重W与各参数(电压V、反应时间t、电解液浓度E)间的二次函数方程模型为:W=0.008 39(V-396.6)+0.1698t-64.5E-0.000 108(V-396.6)2-0.0044t2+700E2+0.0017。结论最佳参数组合为:电压480 V,时间25 min,电解液浓度0.04 mol/L。通过回归分析得到的氧化增重与各参数间的数学模型显著。     

K438铸造高温合金表面热浸镀铝涂层的抗氧化性能

针对K438镍基高温合金在高温条件下抗氧化性能不足的问题,采用热浸镀铝技术在其表面制备了铝化物涂层。经1000 ℃、1 h真空扩散退火处理后,对高温合金的热浸镀铝涂层开展了1000 ℃、250次的高温循环氧化试验,并采用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等分析测试手段,对高温氧化后涂层截面组织进行了研究。结果表明,试验合金在1000 ℃、40次循环氧化后氧化增量曲线便开始下降,高温抗氧化性能较差,经1000 ℃、250次循环氧化后,形成了Al₂O₃、TiO₂、Cr₂O₃、NiO和尖晶石NiCr₂O₄、NiAl₂O₄等氧化产物。而热浸镀铝涂层经1000 ℃、40次循环氧化后,氧化增量变化较小,且经250次循环氧化后,氧化产物中未发现Cr₂O₃的存在,其高温抗氧化性能均较基体明显提高,其中热浸镀90 s的涂层高温抗氧化性能更好。     

Ti-Al-N 涂层的组织结构与摩擦学性能

目的采用多元等离子体注入与沉积(MPIIID)技术制备Ti-Al-N涂层,系统研究涂层的微观组织结构、力学性能与摩擦学特性。方法借助XRD,XPS,SEM和TEM等,观察分析Ti-Al-N涂层的微观组织结构与物相组成,采用纳米压入试验仪、布氏硬度试验仪、摩擦磨损试验仪和激光共聚焦显微镜等测试分析Ti-Al-N涂层的力学性能、膜基结合力和摩擦磨损性能。结果 Ti-Al-N涂层表现出较高的膜-基结合强度。Al元素掺杂诱发Ti-Al-N涂层发生严重晶格畸变。当Al原子数分数为6.18%时,Ti-Al-N涂层以c-TiAlN相结构为主,表现出超高硬度(达到39.83 GPa);随着Al元素含量增加,涂层中的软质h-TiAlN相结构增多,硬度随之下降。摩擦试验结果表明,低Al含量Ti-Al-N涂层的抗磨损能力良好,其主要磨损机制为磨粒磨损;高Al含量Ti-Al-N涂层的抗磨损能力较差,其主要磨损机制倾向粘着磨损。结论 MPIIID技术成功实现了Ti-Al-N涂层的低温制备与成分调控,低Al含量的Ti-Al-N涂层具有优良的力学性能和优异的抗磨损能力。     

La2O3改性ZrB2-SiC涂层C/C复合材料全温域抗氧化行为研究

采用高温反应熔渗工艺制备了ZrB2-SiC和La2O3改性ZrB2-SiC涂层C/C复合材料,对比了2种涂层试样在中温(7001100℃)、高温(12001500℃)和超高温(2000℃以上)3个温域范围内的抗氧化性能。结果表明:7001100℃范围内,随着温度的升高,La2O3改性涂层试样的抗氧化性能提升幅度在逐渐提高。1200℃1500℃范围内,涂层均表现出良好的长时抗氧化性能,La2O3改性ZrB2-SiC在1200℃下恒温氧化250 h后,仍保持微量的增重;涂层复合材料良好的高温抗氧化性能主要其在是由于氧化过程中涂层表面形成的La-Si-O复合玻璃层和钉扎相ZrSiO4的协同作用提升了氧化膜的高温稳定性。在2000℃以上的氧乙炔火焰烧蚀环境下,La2O3的添加使得ZrB2-SiC涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率均降低了近50%,其主要归因于表层La-Si-O和ZrO2玻璃层对烧蚀缺陷的愈合作用。     

两种热喷涂层的耐高温腐蚀性能研究

用金相显微镜观测了CT45和A合金两种热喷涂层的微观组织和涂层厚度,用失重法测量了两种涂层在700℃时的耐高温氧化性和在模拟介质条件下的耐高温腐蚀性能。结果表明：两种涂层均与基体结合良好,涂层厚度为35μm;700％时,CT45涂层的耐高温性能好于A合金涂层;在模拟的多相混合物腐蚀环境中,A合金涂层的耐高温腐蚀能力要好于CT45涂层。