TiBw/TC4复合材料等离子喷涂CoCrAlYTaSi-TiB2抗氧化涂层研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangshuhui1983
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钛基复合材料具有比强度高、比刚度高等特点,作为结构材料广泛应用于航空航天等领域。然而由于钛合金及钛基复合材料化学活性较高,当使用温度超过600℃时极易被腐蚀和氧化。本文为了提高钛基复合材料高温抗氧化性能及使用温度,通过大气等离子喷涂的方式在网状结构Ti Bw/TC4复合材料表面喷涂CoCrAlYTaSi-TiB2复合粉末。本文首先优化了等离子喷涂工艺,对涂层表面及侧截面组织形貌、界面结合强度及涂层表面气孔率进行了表征。分别在700℃、800℃及900℃下对基材及涂层进行了高温氧化试验,对其氧化动力学曲线进行拟合并计算了氧化速率。最后对氧化后涂层及基材进行了物相分析及组织成分分析,结果表明涂层的存在可以有效提高基材抗氧化性能。以涂层/基材界面结合强度及涂层气孔率为技术指标,对等离子喷涂优化工艺进行优化,优化后的喷涂功率为27.533k W,喷涂距离为90130mm,涂层厚度应小于250μm。通过加入TiB2陶瓷相制备CoCrAlYTaSi-TiB2混合粉末可以有效提高界面结合强度,并降低涂层表面气孔率至4.67%。依据TC4合金与Ti B耐蚀性不同,选择腐蚀粗化表面的方法,腐蚀时间控制在1520s之间,经腐蚀可以在网状结构TiBw/TC4复合材料表面获得裸露的Ti B晶须,其尺寸约为3μm,直径约为0.8μm。经等离子喷涂后,涂层/基材界面结合强度约为26.85MPa。因此针对网状结构钛基复合材料,采用腐蚀工艺代替传统的喷砂工艺,同样可以起到粗化基材表面的作用。对涂层进行组织形貌分析可知,涂层内部存在四类典型的相,分别为γ-(Co,Cr)固溶体、富铝β-(Co,Cr)Al相、Ta C陶瓷相及Al2O3相。存在三种典型的烧结区域,分别为固态烧结区、液相烧结区和完全熔化区。基材分别经700℃、800℃和900℃高温氧化后,基材表面形成Al2O3、Ti O2等氧化物,氧化增重分别达到10.5 mg/cm2、14.8 mg/cm2、24.5 mg/cm2。由氧化动力学分析可知,该温度下基材始终处于不稳态氧化阶段,表面形成的氧化膜不具备保护性。涂层分别经700℃、800℃、900℃氧化100h后,氧化增重分别为2.47 mg/cm2、4.06 mg/cm2、5.38 mg/cm2,氧化速率分别为0.061mg2?cm4·h、0.164mg2?cm4·h、0.289mg2?cm4·h,氧化动力学曲线呈现抛物线规律,其氧化增重较未喷涂前明显降低。各温度下经20h氧化后涂层表面物相趋于稳定,氧化100h后涂层表面形成Al2O3、Cr2O3两类氧化物。涂层/基材界面处存在扩散行为,且随着氧化温度的提高,界面扩散区域宽度增大。但由于涂层的存在,基材内部氧含量极低,这表明高温氧化过程中涂层表面形成氧化膜,可以有效提高基材高温抗氧化能力。
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