鈦合金表面納米熱障涂層的制備與組織性能及其表面激光重熔的研究.pdf

1、鈦合金是重要的結(jié)構(gòu)材料和功能材料,具有低密度、高比強度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的耐腐蝕性能等特性.受高溫氧化的影響,鈦合金最高使用溫度范圍只有600℃左右.熱障涂層是先進的高溫防護涂層,在航空航天、輪船、能源等領(lǐng)域有著廣泛的研究與應(yīng)用背景。在鈦合金表面制備熱障涂層,不僅可以使零件輕型化,而且可以通過熱障涂層的有效隔熱和抗氧化保護,在高溫下阻止鈦合金表面的氧化和氧、氮元素向鈦合金內(nèi)部的擴散,從而提高鈦合金抗氧化能力,阻擋高溫侵襲,顯著提

2、高鈦合金短期的使用溫度和組織穩(wěn)定性。
　　 本論文從這一角度出發(fā),針對鈦合金表面納米熱障涂層的制備和組織性能進行了系統(tǒng)的實驗研究與分析,并以常規(guī)熱障涂層為參照進行了對比。對等離子噴涂后納米熱障涂層系統(tǒng)的微觀組織與性能、鈦合金表面納米熱障涂層的隔熱效果,熱震失效形式與機制,殘余應(yīng)力分布以及激光重熔技術(shù)對納米陶瓷層的影響等方面進行了深入的研究與分析。
　　 采用大氣等離子噴涂技術(shù)在TC11鈦合金表面制備了納米熱障涂層,并對其

3、微觀組織和性能進行了表征。研究表明:等離子噴涂后,TC11鈦合金內(nèi)部組織沒有產(chǎn)生明顯變化。基體/粘結(jié)層/陶瓷層之間主要以機械物理形式結(jié)合.與常規(guī)陶瓷層相比,納米陶瓷層的層片較薄,層片間結(jié)合緊密。納米陶瓷層中的納米結(jié)構(gòu)來自未熔的納米噴涂粉末以及熔融顆?？焖倮鋮s重結(jié)晶析出的納米柱狀晶。納米和常規(guī)陶瓷層均表現(xiàn)出雙態(tài)孔隙大小分布,納米陶瓷層的孔隙率較低,并且孔隙更加細小,分布均勻。力學(xué)性能上,等離子噴涂陶瓷層表現(xiàn)出明顯的各向異性,截面顯微硬度平

4、均值高于表面:納米陶瓷層的顯微硬度高于常規(guī)陶瓷層,兩者截面的Weibull分布均呈現(xiàn)雙態(tài)分布,納米陶瓷層中顯微硬度的分散性低于常規(guī)陶瓷層。鈦合金表面納米熱障涂層結(jié)合強度高于常規(guī)涂層。粘結(jié)層與鈦合金基體的結(jié)合強度好于陶瓷層與粘結(jié)層之間的結(jié)合。
　　 對等離子噴涂納米陶瓷層的熱物理性能和隔熱效果進行了測試與分析。常規(guī)陶瓷層的熱膨脹系數(shù)約為10.4×10-6K-1；納米陶瓷層的熱膨脹系數(shù)約為11.3×10-6K-1,提高了約9％。納米

5、陶瓷層的導(dǎo)熱系數(shù)低于常規(guī)陶瓷層。兩者導(dǎo)熱系數(shù)均隨著溫度的上升,略有升高。隔熱實驗表明:各試樣均在約180 s達到了穩(wěn)定熱流狀態(tài)；納米涂層試樣表現(xiàn)出良好的隔熱性能,其最大的隔熱效果達到了約130℃;而常規(guī)涂層試樣的最大隔熱效果不到80℃。隔熱效果與陶瓷層厚度基本呈線性比例增長關(guān)系。
　　 基于力平衡、彎矩平衡和梁的彎曲理論,采用逐層模式對鈦合金表面等離子噴涂后的熱障涂層系統(tǒng)殘余應(yīng)力進行了分析,并與實際測試結(jié)果相比較。綜合考慮淬火效

6、應(yīng)與熱物理性能失配導(dǎo)致殘余應(yīng)力的計算結(jié)果更接近測試值。熱失配產(chǎn)生的壓應(yīng)力在陶瓷層殘余應(yīng)力中占優(yōu)勢地位；而淬火拉應(yīng)力則由于陶瓷層中微裂紋的產(chǎn)生得到了有效的釋放。相對于常規(guī)陶瓷層,納米陶瓷層具有更低的殘余壓應(yīng)力；陶瓷涂層表面的殘余壓應(yīng)力絕對值隨著厚度的減薄而增加。
　　 分析了鈦合金表面納米熱障涂層的熱震失效形式與機制。鈦合金表面納米熱障涂層的失效以陶瓷層表面出現(xiàn)剝落或大塊凸起為特征,薄弱環(huán)節(jié)存在于粘結(jié)層與陶瓷層界面。隨著熱震循環(huán)的

7、進行,在粘結(jié)層界面的鈦合金基體也會因熱膨脹系數(shù)失配而形成孔洞等缺陷,降低了界面強度。納米涂層試樣的抗熱震性優(yōu)于常規(guī)涂層試樣。熱震循環(huán)過程中,因熱膨脹系數(shù)失配首先在陶瓷層/粘結(jié)層界面形成垂直界面的內(nèi)部微裂紋。隨著熱震的進行,垂直裂紋不斷擴展,粘結(jié)層的波動振幅逐漸加劇,在陶瓷層/粘結(jié)層界面附近形成水平微裂紋。陶瓷層內(nèi)靠近粘結(jié)層界面的水平微裂紋擴展與合并,并沿著平行于陶瓷層/粘結(jié)層界面在陶瓷層中傳播,最終導(dǎo)致了陶瓷層的剝落失效。隨著熱震溫度的

8、升高,常規(guī)和納米涂層試樣的熱震循環(huán)次數(shù)顯著減少；不同熱震溫度下,納米涂層試樣的熱震循環(huán)次數(shù)始終高于常規(guī)涂層試樣；鈦合金表面熱障涂層的熱震壽命與陶瓷層厚度呈負向變化。熱震后,鈦合金基體與粘結(jié)層界面形成擴散反應(yīng)層。擴散層主要由Ti和Ni元素組成。由于Ni、Ti元素的擴散與反應(yīng),從與鈦合金基體的接觸界面開始,擴散層中依次生成了Ti2Ni,TiNi,AlNi2Ti和Ni3(Al,Ti)等新相。
　　 對等離子噴涂納米陶瓷層表面進行了激光

9、重熔以及激光重熔試樣的抗熱震性能研究。研究表明:激光重熔后,陶瓷層表面形成網(wǎng)狀微裂紋與凹坑,表面粗糙度明顯下降。隨著激光掃描速度的減小,陶瓷層的網(wǎng)狀微裂紋分布逐漸稀疏,龜裂程度逐漸變大,表面凹坑呈增加和增大的趨勢,表面粗糙度上升。激光重熔區(qū)域中心處熔深隨著激光平均能量的增加而近似線性比例增加,熔寬也隨著激光平均能量的增加而增加,在相同工藝條件下,納米陶瓷層的熔深和熔寬始終大于常規(guī)陶瓷層。陶瓷層重熔區(qū)形成致密的柱狀晶組織,消除了等離子噴涂

10、層中常見的孔隙、未熔顆粒等缺陷。與常規(guī)陶瓷層比較,納米陶瓷層中柱狀晶粒直徑稍大。激光工藝參數(shù)對重熔層組織形貌影響較為顯著。掃描速度高時,陶瓷層重熔組織為單一的柱狀晶結(jié)構(gòu);掃描速度降低后,則得到表面等軸晶+柱狀晶雙層結(jié)構(gòu)的重熔層。激光重熔導(dǎo)致納米和常規(guī)陶瓷層內(nèi)出現(xiàn)分割裂紋。分割裂紋始于重熔層,向涂層內(nèi)部延伸,但并沒有全部貫穿整個陶瓷涂層。隨著激光掃描速度的增加,陶瓷涂層內(nèi)分割裂紋密度近似線性比例提高。激光重熔后的納米陶瓷層更易獲得垂直表面