鈦合金的比強度高、綜合力學(xué)性能和抗蝕性能優(yōu)異，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 高溫鈦合金是先進航空發(fā)動機的重要高溫結(jié)構(gòu)材料，其最高使用溫度為600℃[1~4] 隨著臨近空間飛行器和空天飛機等對輕質(zhì)高溫高強金屬材料的需求，工況在600℃以上的高溫鈦合金受到了極大的關(guān)注

隨著使用溫度的提高，鈦合金表面在大氣中的氧化程度加劇 在高溫鈦合金零部件表面生成的氧化膜使塑性降低，顯著影響其可靠性 在鈦合金基體表面涂覆涂層，是一種提高其抗氧化性能的好方法 鈦合金表面抗氧化涂層中的Al、Cr、Si等元素能生成致密的氧化膜，阻止氧向內(nèi)部擴散[5,6] 鎳基合金優(yōu)異的抗氧化性、耐腐蝕性和熱疲勞性能，使其作為涂層材料得到了廣泛的應(yīng)用 MCrAlY系合金具有良好的結(jié)合強度，是一種常用的鎳基涂層[7~12] MCrAlY涂層中的Cr、Al元素與氧反應(yīng)生成的Cr2O3、Al2O3氧化物，能致密地貼合整個基體而阻止氧的內(nèi)擴散 同時，Cr元素能降低生成Al2O3膜所需的最低Al含量[13]，使涂層發(fā)生選擇性氧化而促進Al2O3的形成；Y元素能提高涂層與基體的粘合性，降低在熱循環(huán)過程中涂層與基體熱膨脹系數(shù)的差異而其開裂，從而保護基體[14~16]

可用于高溫鈦合金的MCrAlY涂層，主要有NiCrAlY和NiCoCrAlY系鎳基涂層 Gong[17]等用等離子噴涂方法在純鈦表面涂覆Al/NiCrAlY復(fù)合涂層 熱循環(huán)后這種復(fù)合涂層表面的氧化產(chǎn)物主要為Al2O3，NiO和少量TiO2，氧化增重為1.51 mg/cm2且氧化膜完整致密，表明其抗氧化效果良好 同時，擴散層生成的Ni2Al3提高了涂層與基體的粘合性 Lin[18]等研究了磁控濺射Zr-Y/NiCrAlY復(fù)合涂層對Ti-6Al-4V合金的熱保護 結(jié)果表明，表層的Zr-Y能降低熱通量而內(nèi)層的NiCrAlY能防止氧化和提高涂層/基體結(jié)合力，使合金的高溫性能提高 無論是復(fù)合涂層還是單一涂層，NiCrAlY的抗氧化效果都十分顯著 鈦合金涂覆NiCrAlY涂層，能延長鈦合金的高溫使用壽命

Ti65是一種近α型高溫鈦合金，可用于制造先進航空發(fā)動機整體葉盤、臨界空間高超聲速飛行器的機身和尾翼等高溫部件，其長時使用溫度為650℃，短時使用溫度可達700℃ 這種合金的板材，可用于制造空天飛機和高超聲速飛行器的高溫零件 擬在預(yù)研的某種飛行器Ti65合金板材表面涂覆NiCrAlSiY涂層以防氧化，因此必須深入系統(tǒng)地研究其力學(xué)性能、抗氧化性能 為此，不僅須研究高溫下的抗氧化性能，還要研究涂層和板材在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及涂層與基體的相容性[19] 鑒于此，本文研究涂覆NiCrAlSiY涂層的Ti65鈦合金板材在不同溫度下的抗氧化性能，以及NiCrAlSiY涂層對板材力學(xué)性能的影響

1 實驗方法1.1 實驗用試樣和涂層的制備

實驗用Ti65鈦合金板材的厚度為2 mm，名義成分為Ti-5.8Al-3.8Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.4Si-0.3Nb-1.0Ta-1.0W-0.05C(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，鑄錠的β相轉(zhuǎn)變溫度為1035℃；用電弧離子鍍(工作氣壓0.1 Pa~10 Pa)在板材表面涂覆NiCrAlSiY涂層，靶材的名義成分為68.89Ni-18.11Cr-11.5Al-0.6Y-0.9Si循環(huán)氧化實驗用板材試樣的尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，拉伸性能測試用試樣的尺寸在圖1中給出

圖 1



圖 1拉伸性能測試用板狀試樣的尺寸

Fig.1Size of tensile specimen for plate

1.2 顯微組織的觀察

用線切割在循環(huán)氧化后板材的橫截面切取試樣，將其依次用150#、800#、2000#砂紙機械研磨，使用SiO2懸浮液拋光后用Kroll's試劑腐蝕，用Axiovert 200MAT金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織 用D/MAX-RAX射線衍射儀測定試樣表面氧化膜的成分 用帶有X射線能譜儀的TESCAN MIRA4場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察在650℃循環(huán)氧化后板材試樣拉伸斷口的形貌和涂層與板材界面的組織，用EDS分析涂層與板材界面不同部位成分的變化 用EPMA-1610電子探針分析在不同溫度循環(huán)氧化后涂層與板材界面元素的分布

1.3 循環(huán)氧化實驗

用專用管式循環(huán)氧化爐進行循環(huán)氧化實驗，實驗溫度分別為650℃，700℃，750℃和800℃，每個溫度循環(huán)次數(shù)為500次 實驗前記錄板材的初始質(zhì)量，然后將其掛在鎳鉻絲上 每次循環(huán)氧化時間共計20 min，先在高溫馬弗爐中保溫15 min取出后在室溫冷卻5 min，然后進行下一次循環(huán) 每循環(huán)氧化100次后取出試樣，將其冷卻到室溫后用精度為10-5 g的電子天平上稱量試樣的質(zhì)量(氧化膜剝落物不計入增重)，每個試樣每次稱3次取其結(jié)果的平均值 然后將試樣放入馬弗爐中繼續(xù)進行循環(huán)氧化 至少用3個平行試樣在每個溫度進行循環(huán)氧化實驗，取其氧化增重的平均值 按照HB 5258-2000標(biāo)準(zhǔn)進行氧化實驗，以平均氧化速率為抗氧化性能的評價標(biāo)準(zhǔn)(平均氧化速率小于0.1 g·m-2·h-1為完全抗氧化級別，0.1~1.0 g·m-2·h-1為抗氧化級別，1.0~3.0 g·m-2·h-1為次抗氧化級別，3.0~10.0 g·m-2·h-1為弱抗氧化級別，大于10.0 g·m-2·h-1則表明其不抗氧化)

1.4 顯微硬度和拉伸性能的測試

用FM-700e維氏硬度計測試板材橫截面距表面20 μm~345 μm處的顯微硬度值，距離表面相同的位置各測5個平行點，每點間隔65 μm，壓頭的壓力為100 g

在TSE504D型電子萬能試驗機上進行拉伸實驗，拉伸速率為：屈服前0.00007 s-1，屈服后0.0014 s-1 取3個試樣性能的平均值為拉伸性能

2 結(jié)果和討論2.1 抗氧化性能

圖2給出了涂覆涂層板材和供貨態(tài)板材在不同溫度500次循環(huán)氧化的增重曲線 可以看出，隨著熱循環(huán)溫度的提高和循環(huán)次數(shù)的增加，兩種板材的氧化增重均明顯增加 氧化溫度為800℃時板材的氧化增重比650℃~750℃時明顯增加，涂覆涂層的板材氧化循環(huán)次數(shù)超過400次后曲線的斜率(氧化速率)顯著增大；供貨態(tài)板材在800℃循環(huán)氧化100次后表面的氧化皮脫落，使測得的增重值出現(xiàn)負(fù)值

圖2



圖2在650℃~800℃循環(huán)氧化增重曲線

Fig.2Mass change curves of plates after 500 cycles oxidized at 650℃~800℃ (a) coated plates，(b) as-received plates

表1列出了板材循環(huán)氧化500次后單位面積的氧化增重和平均氧化速率 可以看出，在650℃氧化時，供貨態(tài)板材和涂覆涂層板材氧化速率的比值為18.9，從700℃開始此比值開始減小，分別為11.3(700℃)和11.7(750℃)，表明此時涂層對板材的保護作用降低，涂覆涂層的板材其氧化速率的增速明顯提高

Table 1

表1

表1在650℃-800℃循環(huán)500次后的抗氧化性能評價

Table 1Oxidation performance evaluation after 500 cycles oxidized at 650℃~800℃

Oxidation temperature /℃		Mass gain / mg·cm-2	Mean oxidation rate / g·m-2·h-1	Ratio of mean oxidation rate (as received / coated)
650	Coated	0.02857	0.0017	18.9
	As received	0.53849	0.0322
700	Coated	0.08452	0.0051	11.3
	As received	0.96032	0.0575
750	Coated	0.17897	0.0107	11.7
	As received	2.07778	0.1244
800	Coated	0.5714	0.0342	/
	As received	-1.52976	-0.0916

將表1中的氧化速率與HB 5258-2000抗氧化評價準(zhǔn)則對照表明，500次循環(huán)氧化后供貨態(tài)板材在650℃~700℃達到完全抗氧化級別，750℃為抗氧化級別，在800℃氧化層剝落表明其沒有抗氧化性能；進行相同次數(shù)的循環(huán)氧化后，涂覆涂層的板材在所有試驗溫度的抗氧化性能良好，達到完全抗氧化級別

在氧化過程中MCrAlSiY涂層在純鈦和鈦合金表面生成氧化膜，使基體具有抗氧化性能[17,18] 在不同溫度循環(huán)氧化后生成的氧化膜由TiO2或Al2O3組成，涂層氧化膜的組成影響其抗氧化性能 圖3給出了在650℃~800℃循環(huán)氧化500次后涂覆涂層的板材表面的X射線衍射譜 由圖3可見，在650℃循環(huán)氧化后板材表面未出現(xiàn)氧化物的衍射峰；在700℃和750℃循環(huán)氧化時板材表面出現(xiàn)Al2O3的衍射峰；在800℃循環(huán)氧化后，板材表面的氧化物為TiO2和Al2O3 由此可以推測，隨著循環(huán)氧化溫度的提高板材與涂層之間的元素互擴散加劇，在800℃循環(huán)氧化時板材中的Ti元素擴散到涂層中，與滲入的氧發(fā)生反應(yīng)在涂層表面和內(nèi)部生成TiO2 NiCrAlSiY涂層中生成的TiO2氧化物使Al2O3氧化膜的完整性受到破壞[20]，比較疏松的TiO2中更多的氧擴散通道使涂層的保護作用降低和板材的氧化速率提高[21] 因此，在800℃循環(huán)氧化400次后，涂覆涂層的板材氧化速率顯著提高(圖2a)

圖3



圖3在不同溫度循環(huán)氧化后涂覆涂層板材表面的X 射線衍射譜

Fig.3XRD patterns of surface of coated plates cyclicly oxidized at different temperatures

2.2 循環(huán)氧化后板材的顯微組織和元素擴散

圖4給出了供貨態(tài)板材循環(huán)氧化后橫截面的顯微組織金相照片 作為α相的穩(wěn)定元素，氧滲入后在板材表面生成富氧的α層 從圖4可見，循環(huán)氧化后在低倍下即可觀察到板材表面明顯的富氧層，隨著循環(huán)氧化溫度由650℃提高到800℃，白色的富氧層厚度從約為30 μm增大到約180 μm

圖4



圖4供貨態(tài)板材在不同溫度循環(huán)氧化后的顯微組織

Fig.4Microstructure of as-received plates cyclicly oxidized at different temperatures: (a) 650℃; (b) 700℃;(c) 750℃;(d) 800℃

圖5給出了涂覆涂層板材循環(huán)氧化500次后的背散射電子成像(BSE)照片 可以看出，這種板材的厚度橫截面由涂層(coating)、擴散層(diffusion layer)和基材區(qū)(substrate)組成 在650℃~800℃次循環(huán)氧化500后涂層與板材的結(jié)合界面較致密，涂層下的基材區(qū)未出現(xiàn)明顯的氧化層 隨著循環(huán)氧化溫度的提高擴散層的厚度由10 μm增大到約250 μm，擴散層中細(xì)小的白色針狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^大的塊狀組織 循環(huán)氧化溫度提高到800℃，隨著距板材表面距離的增加出現(xiàn)組織明顯不同的兩個擴散區(qū)域(圖5d)

圖5



圖5在不同溫度循環(huán)氧化后涂覆涂層板材的背散射電子成像組織

Fig.5BSE microstructure of coated plates cyclicly oxidized at different temperatures: (a) 650℃; (b) 700℃; (c) 750℃; (d)800℃

擴散層和基材區(qū)組織的不同，主要是元素擴散產(chǎn)生的相變所致 對涂覆涂層板材厚度橫截面上不同區(qū)域元素分布的電子探針(EPMA)分析結(jié)果(圖6)表明，在650℃~750℃循環(huán)氧化后(圖6a~圖6c)在基材區(qū)(區(qū)域1)和擴散層(區(qū)域2)均未檢測到Cr元素 這表明，涂層中的Cr元素較穩(wěn)定，沒有從擴散涂層到基材，但是在擴散層(區(qū)域2)中觀察到大量的Ni元素富集，在涂層(區(qū)域3)中觀察到Ti元素的富集，表明發(fā)生了Ni元素向基材和Ti元素向涂層的擴散 在800℃循環(huán)氧化后，涂層中的Ni、Cr元素向基材的擴散，因擴散程度的不同基材中出現(xiàn)兩個組織明顯不同的擴散區(qū)(圖6d中1和2區(qū)域) 同時，基材中的Ti擴散到涂層內(nèi)部和表面與氧反應(yīng)生成了大量的TiO2(圖3)，使涂層的防護性能降低

圖6



圖6在不同溫度循環(huán)氧化后涂覆涂層板材表面附近的電子探針元素分布

Fig. 6EPMA element distribution in near surface of coated plates cyclicly oxidized at different temperatures: (a) 650℃; (b)700℃; (c) 750℃ and (d) 800℃

2.3 涂層與基材界面間發(fā)生的相變

在涂層區(qū)和基材區(qū)出現(xiàn)Ti與Ni的互擴散 根據(jù)Ti-Ni二元相圖[22]，循環(huán)氧化時界面附近元素的擴散會生成TiNi和Ti2Ni等產(chǎn)物 Peng等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在高溫循環(huán)氧化過程中NiCrAlY涂層中的Ti和Ni在涂層/基體界面發(fā)生界面反應(yīng)

2Ti+Ni=Ti2Ni

和

Ti2Ni+Ni=TiNi

分別生成TiNi和Ti2Ni

在涂覆涂層的板材中涂層/基材界面的背散射電子成像(BSE)組織圖(圖7)上標(biāo)記不同的位置，用能譜(EDS)分析不同位置Ti、Ni和Al元素的含量，可確定界面處產(chǎn)物的類型(表2) 由表2中的數(shù)據(jù)可知，在650℃~750℃循環(huán)氧化后涂層中Ti與Ni含量的比值接近1：1(圖7a~c的1、5和10位置)，由此可確定產(chǎn)物為TiNi 在800℃循環(huán)氧化后涂層中Ti與Ni原子含量比值接近2:1(圖7d中16位置)，表明產(chǎn)物為Ti2Ni，這是在高溫下基材中的Ti大量向涂層擴散所致 涂層中接近擴散層(圖2、6和11位置)和涂層與擴散層交界處(3、7和12位置)的Ti與Ni的含量比值接近2:1，表明產(chǎn)物為Ti2Ni 對擴散層中的白色相(4、8、13、17和18位置)和灰色相(9、14、15、19和20位置)進行能譜分析，結(jié)果表明白色相中的β穩(wěn)定元素Ni的含量明顯比灰色相高，而灰色相中的α穩(wěn)定元素Al的含量則比較高，表明擴散層中的白色相為β相而灰色相為α相 這些結(jié)果，與涂覆NiCrAlY的TC4合金[24]和Ti60合金[25]的涂層界面分析結(jié)果一致 同時，涂層中的黑色箭頭所示的柯肯達爾空洞表明，涂層與基材界面處的Ni與Ti元素發(fā)生了不均勻互擴散[18]

圖7



圖7在不同溫度循環(huán)氧化后板材涂層/基體界面的背散射電子成像組織

Fig.7BSE microstructure of coating/substrate interface in plate cyclicly oxidized at different temperatures: (a) 650℃; (b)700℃; (c) 750℃; (d) 800℃

Table2

表2

表2在不同溫度氧化后板材的涂層和基材區(qū)界面附近的能譜分析結(jié)果

Table2EDS results (%, atomic fraction) of coating/substrate interface in plate oxidized at different temperature

Temperature / ℃	Position	Elements			Result
		Ni	Ti	Al
650	1	36.67	32.85	13.78	TiNi
	2	30.38	59.10	6.47	Ti2Ni
	3	26.21	61.66	5.98	Ti2Ni
	4	10.47	74.62	10.17	β phase
700	5	43.60	45.84	6.21	TiNi
	6	30.27	60.85	5.75	Ti2Ni
	7	27.64	63.48	4.56	Ti2Ni
	8	16.10	70.98	7.93	β phase
	9	4.09	83.11	9.07	α phase
750	10	43.59	50.63	3.62	TiNi
	11	27.38	63.11	6.11	Ti2Ni
	12	29.73	62.85	5.51	Ti2Ni
	13	6.99	81.01	9.31	β phase
	14	4.34	75.55	12.88	α phase
	15	1.06	81.38	13.84	α phase
800	16	28.52	59.88	7.55	Ti2Ni
	17	5.28	79.61	10.03	β phase
	18	5.64	80.98	9.11	β phase
	19	0.56	76.48	17.45	α phase
	20	0.81	79.73	15.49	α phase

根據(jù)顯微組織觀察、元素擴散和涂層/基材界面附近產(chǎn)物組成的分析，圖8給出了在650℃~800℃循環(huán)氧化后涂覆NiCrAlSiY涂層的板材從表面到內(nèi)部的組織和元素擴散機制 在高溫大氣熱循環(huán)作用下涂層表面發(fā)生氧化，在650℃~750℃氧化后生成的氧化物為Al2O3，此時涂層和基材之間主要發(fā)生Ni和Ti元素的擴散，在涂層/基材界面處生成TiNi和Ti2Ni；在800℃氧化后基材中的Ti大量擴散到涂層表面生成氧化物Al2O3+TiO2，此時涂層中的Ni、Cr元素向基材中擴散，與基材中擴散的Ti反應(yīng)在涂層/基體界面處生成Ti2Ni 涂層界面附近的擴散層仍由α和β相組成，只是熱循環(huán)溫度和Ni、Cr等β穩(wěn)定元素的擴散使β相的尺寸和形態(tài)出現(xiàn)顯著的變化

圖8



圖8涂層/基體界面的組織和元素擴散示意圖

Fig.8Schematic diagram of microstructure and element diffusion at interface of coating/substrate: (a) oxidized at 650~750℃; (b) oxidized at 800℃

2.4 循環(huán)氧化后材料的室溫力學(xué)性能2.4.1 顯微硬度

圖9給出了涂覆涂層和供貨態(tài)板材在不同溫度循環(huán)氧化后從板材表面(不包含涂層)到內(nèi)部的維氏顯微硬度 由圖9a可見，在650℃~750℃循環(huán)氧化后涂覆涂層的板材從表面到內(nèi)部的顯微硬度沒有明顯的變化，與板材心部(1000 μm)的硬度值基本相同(330 HV~360 HV)，表明涂層對板材有很大的保護作用，基材區(qū)未發(fā)生O元素的滲入；循環(huán)氧化溫度提高到800℃，在距表面20 μm和80 μm兩個測試位置的顯微硬度提高 其原因是，Ti元素大量擴散到涂層表面生成TiO2降低了涂層的防護效果，使少量的O穿過涂層滲入到基材中 同時，涂層中的Cr、Ni元素向基材擴散使成分和組織發(fā)生變化，也使顯微硬度提高[26,27] 供貨態(tài)板材的硬度分布如圖9b所示 可以看出，與表面有涂層保護的板材相比，供貨態(tài)板材表面及近表面(20 μm~150 μm)的顯微硬度顯著升高，距板材表面最近測試點(20 μm)的硬度最高(474 HV~630 HV) 這表明，循環(huán)氧化溫度越高則顯微硬度的最大值越大，隨著距表面距離的增大硬度趨于穩(wěn)定，逐漸降低到和基材區(qū)相同的水平 值得注意的是，在750℃和800℃循環(huán)氧化時，在測試的20~215 μm范圍內(nèi)顯微硬度均大于基材的硬度值水平，表明O元素滲入板材的深度達到了215 μm

圖9



圖9不同溫度循環(huán)氧化后板材的顯微硬度分布

Fig.9Hardness distribution of plates cyclicly oxidized at different temperatures: (a) coated plates; (b) as-received plates

2.4.2 室溫拉伸性能

在650℃循環(huán)氧化500次后板材的室溫拉伸性能列于表3 由表3可見，循環(huán)氧化后板材的室溫拉伸強度和塑性都降低了 循環(huán)氧化后供貨態(tài)板材基本為脆斷，涂覆涂層板材的拉伸延伸率為供貨態(tài)板材的30% 循環(huán)氧化對板材的拉伸強度影響較小，循環(huán)氧化后涂覆涂層和供貨態(tài)板材拉伸強度的保持率均高于90%

Table 3

表3

表3循環(huán)氧化后板材的室溫拉伸性能

Table 3Room tensile properties of plate after 650℃/500 cycles oxidation

	Yield strength / MPa	Ultimate tensile strength / MPa	Elongation / %
Coated plates after oxidation	1012	1071	4.2
As-received plate after oxidation	1052	1061	0.3
As-received plate	1076	1137	14.0

2.5 拉伸斷裂行為

圖10給出了室溫拉伸斷裂后拉伸斷口和斷裂位置附近板材表面的掃描電鏡照片 由圖10可見，板材的室溫拉伸斷口由啟裂區(qū)、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)組成，位于板材表面附近的啟裂區(qū)較平坦，呈現(xiàn)出脆性解理斷裂的特征，裂紋擴展區(qū)主要以穿晶斷裂為主，在斷口表面可觀察到大量的韌窩

圖10



圖10在650℃循環(huán)氧化后供貨態(tài)板材和涂覆涂層板材斷口處的形貌

Fig.10Fracture morphology of plates cyclicly oxidized at 650℃

循環(huán)氧化后供貨態(tài)板材的裂紋主要與表面氧化層導(dǎo)致的脆性相關(guān)，從氧化層到界面附近的基體出現(xiàn)了解理臺階；涂覆涂層板材雖然涂層部位呈現(xiàn)脆性特征，但是界面附近的基體基本上為韌窩狀，裂紋與涂層處沒有明顯連接

在供貨態(tài)板材試樣斷口可觀察到垂直于拉伸方向的裂紋(圖11a)，這種裂紋由多條平行的直線裂紋組成 在斷口附近的橫截面(圖11b)，線形裂紋主要是表面的氧化層開裂所致 在涂覆涂層的板材拉伸斷口附近(圖11c)，可觀察到大量垂直于拉伸方向的直線裂紋 在斷裂后試樣的橫截面(圖11d)，表面裂紋主要是涂層和擴散區(qū)材料在拉伸應(yīng)力作用下開裂所致 但是，在涂層與基體界面未出現(xiàn)明顯的開裂，也未觀察到裂紋向基材區(qū)明顯擴展 這些結(jié)果表明，在拉伸過程中涂層與基體的結(jié)合較為穩(wěn)固，涂覆涂層板材的拉伸斷裂主要受基材的斷裂模式影響，涂層對基體的斷裂方式?jīng)]有明顯的影響

圖11



圖11在650℃循環(huán)氧化后板材斷口的形貌和斷口附近的組織

Fig.11Fracture morphology and microstructure near the fracture position of plates cyclicly oxidized at 650℃ (a, b) as-received plates; (c, d) coated plates

圖12給出了循環(huán)氧化后兩種板材的室溫拉伸斷裂過程示意圖 在拉伸應(yīng)力的作用下供貨態(tài)板材表面的氧化層先出現(xiàn)裂紋，并由氧化層向基材區(qū)延伸和擴展 在涂覆涂層板材的拉伸過程中表面的涂層先開裂，但是裂紋并不向基材內(nèi)擴展 這表明，拉伸斷裂是基材區(qū)近表面空洞的萌生和相互連接所致

圖12



圖12供貨態(tài)板材和涂覆涂層板材的室溫拉伸斷裂過程示意圖

Fig.12Schematic diagram of fracture process of as-received and coated plates

3 結(jié)論

(1) 在650℃~800℃循環(huán)氧化500次后，涂覆NiCrAlSiY涂層的Ti65鈦合金板材表面的氧化物以Al2O3為主，隨著循環(huán)氧化溫度提高到800℃，表面氧化物中開始出現(xiàn)TiO2；涂覆涂層的板材，達到完全抗氧化級別

(2) 循環(huán)氧化后涂覆涂層的板材由涂層、擴散層和基材區(qū)三個區(qū)域組成，涂層與基體的結(jié)合界面較致密，基體區(qū)域未發(fā)生明顯的氧化層；涂層與基體間的元素擴散主要以Ni、Ti兩種元素為主，循環(huán)氧化溫度提高到800℃，發(fā)生少量的Cr擴散 Ni與Ti元素的互擴散在涂層和基體的界面附近生成Ti2Ni和TiNi

(3) 循環(huán)氧化對板材的拉伸強度影響較小，涂覆涂層和供貨態(tài)板材經(jīng)循環(huán)氧化的拉伸強度的保持率均高于90%，但是循環(huán)氧化后其室溫拉伸延伸率降低，屬于脆斷的供貨態(tài)板材涂覆涂層后其拉伸延伸率約為初始狀態(tài)板材的30%；供貨態(tài)板材塑性降低的主要原因，是板材表面在高溫下氧元素滲入產(chǎn)生了表面脆性

參考文獻

View Option 原文順序文獻年度倒序文中引用次數(shù)倒序被引期刊影響因子

[1]

Wang Q J, Liu J R, Yang R.

Current status and prospects of high-temperature titanium alloys

[J]. J. Aeronaut. Mater., 2014, 34(4): 1

[本文引用: 1]

王清江, 劉建榮, 楊 銳.

高溫鈦合金的現(xiàn)狀與前景

[J]. 航空材料學(xué)報, 2014, 34(4): 1

[本文引用: 1]

[2]

Wu X Y, Chen Z Y, Chen C, et al.

Effects of heat treatment on microstructure, texture and tensile properties of Ti65 alloy

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2019, 33(10): 785

DOI " />

研究了不同熱處理條件下Ti65鈦合金板材的顯微組織和織構(gòu)的變化規(guī)律，分析了板材織構(gòu)的類型和熱處理影響拉伸強度的機制 結(jié)果表明，熱處理對板材的顯微組織和織構(gòu)類型具有顯著的影響 通過熱處理可分別得到具有等軸組織、雙態(tài)組織或片層組織的板材 等軸組織板材的織構(gòu)為晶體c軸與板材RD方向呈現(xiàn)70°~90°夾角的B/T型織構(gòu)，雙態(tài)組織和片層組織板材的主要織構(gòu)類型與等軸組織類似，且出現(xiàn)晶體學(xué)c軸與RD方向平行的織構(gòu) 雙態(tài)組織板材內(nèi)的位錯和亞結(jié)構(gòu)使板材的室溫拉伸強度提高，但是對高溫拉伸變形的阻礙能力有限 板材中的織構(gòu)是影響合金力學(xué)性能各向異性的主要因素 經(jīng)980℃/1 h/AC+700℃/4 h/AC熱處理后的板材橫、縱向拉伸強度的差異最小，且都具有較高的室溫拉伸性能和最佳的650℃拉伸性能

[3]

Gou M M, Bai R M, Meng L J, et al.

Effect of strain rate on room temperature tensile properties of titanium alloys

[J]. Hunan Nonferrous Met., 2020, 36(01): 52

茍曼曼, 白瑞敏, 孟利軍 等.

應(yīng)變速率對鈦合金室溫拉伸性能的影響

[J]. 湖南有色金屬, 2020, 36(01): 52

[4]

Han R, Naeem ul H, Li J Y, et al.

A novel phosphate-ceramic coating for high temperature oxidation resistance of Ti65 alloys

[J]. Ceram. Int, 2019, 45(18): 23895

DOIURL [本文引用: 1]

[5]

Tang Z, Niewolak L, Shemet V, et al.

Development of oxidation resistant coatings for gamma-TiAl based alloys

[J]. Mater. Sci. Eng. A, 2002, 328: 297

DOIURL [本文引用: 1]

[6]

Gauthier V, Dettenwanger F, Schutze M.

Oxidation behavior of gamma-TiAl coated with zirconia thermal barriers

[J]. Intermetallics, 2002, 10(7): 667

DOIURL [本文引用: 1]

[7]

Wang H Y, An Y Q, Li C Y, et al.

Research progress of Ni-based superalloys

[J]. Materials Reports, 2011, 25(S2): 482

[本文引用: 1]

王會陽, 安云岐, 李承宇 等.

鎳基高溫合金材料的研究進展

[J]. 材料導(dǎo)報, 2011, 25(S2): 482

[本文引用: 1]

[8]

Yao J J, Gao L K, Deng B, et al.

Technological progress of Ni-based superalloys

[J]. Adv. Mater. Ind., 2015, 12: 43

姚進軍, 高聯(lián)科, 鄧 斌.

鎳基高溫合金的技術(shù)進展

[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2015, 12: 43

[9]

Zhang J, Wang L N, Peng Y T, et al.

Characterization of Hf-doped CoCrAlYSi coatings synthesized by laser cladding on Ni-based GH586 alloy

[J]. J. Vac. Sci. Technol., 2020, 40(03): 203

張 靜, 王麗娜, 彭玉濤 等.

鎳基高溫合金表面激光熔覆CoCrAlYSiHfx涂層組織性能分析

[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2020, 40(03): 203

[10]

Zhang X G, Deng C G, Deng C M, et al.

Oxidation resistance and microstructural evolution of NiCrAlY coatings during oxidation

[J]. J. Aeronaut. Mater., 2015, 35(05): 21

張新格, 鄧暢光, 鄧春明 等.

NiCrAlY涂層抗氧化性及氧化過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變

[J]. 航空材料學(xué)報, 2015, 35(05): 21

[11]

Khakzadian J, Hosseini S H, Madar K Z.

Cathodic arc deposition of NiCrAlY coating: oxidation behaviour and thermodynamic

[J]. Surf. Eng., 2019, 35(08): 677

DOIURL

[12]

Pereira J C, Zambrano J, Rayón E, et al.

Mechanical and microstructural characterization of MCrAlY coatings produced by laser cladding: The influence of the Ni, Co and Al content

[J]. Surf. Coat. Technol., 2018, 338: 22

DOIURL [本文引用: 1]

[13]

Tang Z L, Wang F H, Wu W.

Effect of Cr on the high-temperature oxidation properties of TiAl intermetallic compounds

[J]. Acta Metall. Sin., 1997, 33(10): 1028

[本文引用: 1]

唐兆麟, 王福會, 吳 維.

Cr對TiAl金屬間化合物高溫氧化性能的影響

[J]. 金屬學(xué)報, 1997, 33(10): 1028

[本文引用: 1] class="outline_tb" " />

研究了不同熱處理條件下Ti65鈦合金板材的顯微組織和織構(gòu)的變化規(guī)律，分析了板材織構(gòu)的類型和熱處理影響拉伸強度的機制 結(jié)果表明，熱處理對板材的顯微組織和織構(gòu)類型具有顯著的影響 通過熱處理可分別得到具有等軸組織、雙態(tài)組織或片層組織的板材 等軸組織板材的織構(gòu)為晶體c軸與板材RD方向呈現(xiàn)70°~90°夾角的B/T型織構(gòu)，雙態(tài)組織和片層組織板材的主要織構(gòu)類型與等軸組織類似，且出現(xiàn)晶體學(xué)c軸與RD方向平行的織構(gòu) 雙態(tài)組織板材內(nèi)的位錯和亞結(jié)構(gòu)使板材的室溫拉伸強度提高，但是對高溫拉伸變形的阻礙能力有限 板材中的織構(gòu)是影響合金力學(xué)性能各向異性的主要因素 經(jīng)980℃/1 h/AC+700℃/4 h/AC熱處理后的板材橫、縱向拉伸強度的差異最小，且都具有較高的室溫拉伸性能和最佳的650℃拉伸性能

[3]

Gou M M, Bai R M, Meng L J, et al.

Effect of strain rate on room temperature tensile properties of titanium alloys

[J]. Hunan Nonferrous Met., 2020, 36(01): 52

茍曼曼, 白瑞敏, 孟利軍 等.

應(yīng)變速率對鈦合金室溫拉伸性能的影響

[J]. 湖南有色金屬, 2020, 36(01): 52

[4]

Han R, Naeem ul H, Li J Y, et al.

A novel phosphate-ceramic coating for high temperature oxidation resistance of Ti65 alloys

[J]. Ceram. Int, 2019, 45(18): 23895

[5]

Tang Z, Niewolak L, Shemet V, et al.

Development of oxidation resistant coatings for gamma-TiAl based alloys

[J]. Mater. Sci. Eng. A, 2002, 328: 297

[6]

Gauthier V, Dettenwanger F, Schutze M.

Oxidation behavior of gamma-TiAl coated with zirconia thermal barriers

[J]. Intermetallics, 2002, 10(7): 667

[7]

Wang H Y, An Y Q, Li C Y, et al.

Research progress of Ni-based superalloys

[J]. Materials Reports, 2011, 25(S2): 482

王會陽, 安云岐, 李承宇 等.

鎳基高溫合金材料的研究進展

[J]. 材料導(dǎo)報, 2011, 25(S2): 482

[8]

Yao J J, Gao L K, Deng B, et al.

Technological progress of Ni-based superalloys

[J]. Adv. Mater. Ind., 2015, 12: 43

姚進軍, 高聯(lián)科, 鄧 斌.

鎳基高溫合金的技術(shù)進展

[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2015, 12: 43

[9]

Zhang J, Wang L N, Peng Y T, et al.

Characterization of Hf-doped CoCrAlYSi coatings synthesized by laser cladding on Ni-based GH586 alloy

[J]. J. Vac. Sci. Technol., 2020, 40(03): 203

張 靜, 王麗娜, 彭玉濤 等.

鎳基高溫合金表面激光熔覆CoCrAlYSiHfx涂層組織性能分析

[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 2020, 40(03): 203

[10]

Zhang X G, Deng C G, Deng C M, et al.

Oxidation resistance and microstructural evolution of NiCrAlY coatings during oxidation

[J]. J. Aeronaut. Mater., 2015, 35(05): 21

張新格, 鄧暢光, 鄧春明 等.

NiCrAlY涂層抗氧化性及氧化過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變

[J]. 航空材料學(xué)報, 2015, 35(05): 21

[11]

Khakzadian J, Hosseini S H, Madar K Z.

Cathodic arc deposition of NiCrAlY coating: oxidation behaviour and thermodynamic

[J]. Surf. Eng., 2019, 35(08): 677

[12]

Pereira J C, Zambrano J, Rayón E, et al.

Mechanical and microstructural characterization of MCrAlY coatings produced by laser cladding: The influence of the Ni, Co and Al content

[J]. Surf. Coat. Technol., 2018, 338: 22

[13]

Tang Z L, Wang F H, Wu W.

Effect of Cr on the high-temperature oxidation properties of TiAl intermetallic compounds

[J]. Acta Metall. Sin., 1997, 33(10): 1028

唐兆麟, 王福會, 吳 維.

Cr對TiAl金屬間化合物高溫氧化性能的影響

[J]. 金屬學(xué)報, 1997, 33(10): 1028



研究了Ti-50Al，Ti-45Al-10Cr和Ti-50Al-10Cr（原子分?jǐn)?shù),％）合金在800－1100℃下的高溫氧化性能.結(jié)果表明，Ti－45Al－10Cr合金在800和900℃形成的氧化膜具有與TiAl合金同樣的分層結(jié)構(gòu)，外層為Ti02，內(nèi)層為Ti02和al2O3的混合氧化物，在內(nèi)外氧化層中間有一富Al2O3的中間層，但內(nèi)氧化層中有大量Cr摻雜、其氧化增重比Ti-50al的大.而1000和1100℃氧化時，Ti-45Al-10Cr合金能形成連續(xù)富Al2O3層，表現(xiàn)較好的抗氧化性能.Ti-50Al-10Cr合金在800－1100℃均能形成保護性的Al2O3膜，同樣表現(xiàn)較好的抗氧化性能因此，Cr對TiAl金屬間化合物的抗氧化性能具有兩種不同的作用.當(dāng)Cr的加入不足以形成Al2O3膜時，Cr以摻雜作用為主，使TiAl的抗氧化性能降低；但當(dāng)Cr的加入可以促使形成保護性的Al2O3膜時，大大提高了Tial的抗氧化性能.

[14]

Guo X Z.

Microstructure and high temperature oxidation resistance of Ti-Al-Cr coatings by laser melting on titanium alloy surfaces

[D].

Kunming:

Kunming University Of Science And Technology, 2018

郭新政.

鈦合金表面激光熔覆Ti-Al-Cr涂層的組織及其高溫抗氧化性能

[D].

昆明:

昆明理工大學(xué), 2018

[15]

Wang H, Wu M P, Lu P P, et al.

Effect of laser power on the mechanical properties of the cobalt-based/go composite coating

[J]. Laser & Optoelectronics Process, 2020, 57(9): 134

王 航, 武美萍, 陸佩佩 等.

激光功率對鈷基/GO復(fù)合熔覆層力學(xué)性能的影響

[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2020, 57(9): 134

[16]

Peng B, Li H Q, Zhang Q, et al.

High-temperature thermal stability and oxidation resistance of Cr and Ta co-alloyed Ti-Al-N coatings deposited by cathodic arc evaporation

[J]. Corros. Sci., 2020, 167

[17]

Gong X, Chen R R, Wang Q, et al.

Cyclic oxidation behavior and oxide scale adhesion of Al/NiCrAlY coating on pure titaniμm alloy

[J]. J. Alloys Compd., 2017, 729: 679

[本文引用: 2]

[18]

Lin J, Stinnett T C.

Development of thermal barrier coatings using reactive pulsed dc magnetron sputtering for thermal protection of titaniμm alloys

[J]. Surf. Coat. Technol., 2020, 403

[本文引用: 3]

[19]

Lee J K, Oh M H, Wee D M, et al.

Long-term oxidation properties of Al-Ti-Cr two-phase alloys as coating materials for TiAl alloy

[J]. Intermetallics, 2002, 10: 347

[20]

Wang B, Lu C Y, Sun C, et al.

Effect of NiCrAlY coatings on oxidation resistance of Ni-base superalloy K17

[J]. Corros. Sci. Prot. Technol., 2002, 14(01): 7

王 冰, 盧春燕, 孫 超 等.

NiCrAlY涂層對Ni基高溫合金K17抗氧化性能的影響

[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù), 2002, 14(01): 7

[21]

Li M S. High Temperature Corrosion of Metals [M].

Beijing:

Metallurgical Industry Press, 2001: 148

李美栓. 金屬的高溫腐蝕 [M].

北京:

冶金工業(yè)出版社, 2001: 148

[22]

Lambrigger M, Strain and substitution X-ray scattering of Ni 0.

882Ti0.118 with concentration waves in the <100> direction

[J]. J. Phys. Chem. Solids, 1991, 52(7): 913

[23]

Peng X M, Xia C Q, Dai X Y, et al.

Study on the interface reaction behavior of NiCrAlY coating on titanium alloy

[J]. Surf. Coat. Technol., 2013, 232: 254

[24]

Peng X M, Xia C Q, Wang J H, et al.

Oxidation behavior of TC4 titanium alloy with NiCrAlY coating

[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2008, 18(4): 601

彭小敏, 夏長清, 王金惠 等.

TC4鈦合金沉積NiCrAlY涂層的氧化行為

[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2008, 18(4): 601

[25]

Liu H P, Hao S S, Wang X H, et al.

Interaction of a near-alpha type titanium alloy with NiCrAlY protective coating at high temperatures

[J]. Scr. Mater., 1998, 39(10): 1443

[26]

Rominiyi A L, Shongwe M B, Ogunmuyiwa E N, et al.

Effect of nickel addition on densification, microstructure and wear behaviour of spark plasma sintered CP-titanium

[J]. Mater. Chem. Phys., 2020, 240: 122130

[27]

Liu H W, Bishop D P, Plucknett K P.

A comparison of Ti-Ni and Ti-Sn binary alloys processed using powder metallurgy

[J]. Mater. Sci. Eng. A, 2015, 644: 392

Current status and prospects of high-temperature titanium alloys

1

2014