涂覆Ti-Al-Cr-Y涂層的鈦合金在高溫大氣中的循環(huán)氧化行為

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，低壓及高壓壓氣機(jī)中的許多零部件由Ti-17和Ti-6242合金制造。當(dāng)這兩種合金暴露在溫度高于500℃的空氣中時(shí)，形成的氧化層主要成分為二氧化鈦，保護(hù)能力較差，且氧會(huì)通過(guò)氧化層迅速擴(kuò)散并溶解在基體中，導(dǎo)致基體表面脆化，使合金的力學(xué)性能降低而開裂。因此需要涂覆涂層來(lái)提高抗氧化性。

將Ti-6242和Ti-17合金加工成直徑為15 mm，厚1 mm的圓片狀試樣。試樣表面用4000#的SiC砂紙打磨，并用SiO2(粒徑0.04 μm)的懸浮液拋光。試樣在涂層沉積之前用射頻氬等離子體進(jìn)行表面刻蝕。然后用純鈦、純鋁、純鉻和純鐿四個(gè)靶在基體表面采用直流電的操作模式，用磁控濺射法沉積Ti-Al-Cr-Y涂層，厚度為10 μm。

研究了基體鈦合金和涂覆有涂層的鈦合金在600和700℃空氣中循環(huán)氧化條件下的氧化行為。一個(gè)循環(huán)包括試樣在高溫爐內(nèi)熱暴露1 h，然后將試樣從爐中取出，冷卻10 min使試樣溫度降低到50℃的過(guò)程。為了確定氧化動(dòng)力學(xué)曲線，每20次循環(huán)后測(cè)量試樣的質(zhì)量變化。當(dāng)最大循環(huán)次數(shù)為1000次或存在大量氧化層脫落時(shí)，試驗(yàn)終止。用掃描電鏡、X射線能譜及X射線衍射等方法檢測(cè)涂層的微觀結(jié)構(gòu)和熱氧化層。研究結(jié)果表明:氧化保護(hù)涂層對(duì)基體材料的附著力非常好，在600和700℃下1000次的高溫?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)生脫落的現(xiàn)象。涂層為一種多相的微觀組織，包括Ti(Cr，Al)2Laves相和四方晶相。在600℃氧化時(shí)，四方晶相可能是AlCr2相和r-TiAl2相，而700℃時(shí)可能形成γ-TiAl相和r-TiAl2相。與基體鈦合金相比，有涂層的鈦合金試樣在600和700℃下氧化增重量顯著減少，表明Ti-Al-Cr-Y涂層具有很高的抗氧化性能。在700℃熱循環(huán)1000次后，有厚度大約為0.5 μm的連續(xù)氧化鋁層生長(zhǎng)在涂層的表面。TiAl2相在700℃更長(zhǎng)時(shí)間暴露后溶解，由于涂層和基體之間發(fā)生了內(nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致一種Ti(Cr，Al)2Laves相和γ-TiAl相的兩相微觀組織形成。在涂層中觀察到氣孔和穿過(guò)涂層的裂紋。在高溫暴露的過(guò)程中氣孔已經(jīng)出現(xiàn)在沉積的涂層中并且出現(xiàn)合并的現(xiàn)象，但是沒有顯著地導(dǎo)致進(jìn)一步氧化，且氣孔可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁控濺射工藝參數(shù)(如沉積溫度和偏離電壓)來(lái)消除。然而，到達(dá)基體表面的裂紋會(huì)導(dǎo)致鈦合金的氧化，這些由熱應(yīng)力引起的裂紋可能與涂層中高脆性的Ti(Cr，Al)2Laves相有關(guān)。可以通過(guò)減少脆性相的體積含量來(lái)降低開裂的可能性，例如，可以通過(guò)調(diào)節(jié)涂層中的Cr含量以確保涂層具有較高的抗氧化性能。