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

摘要........................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... I II 第1章绪论 .. (7)

1.1课题研究背景及目的意义 (7)

1.2 钛材使用的局限性及其改性方法 (8)

1.2.1 钛材使用的局限性 (8)

1.2.2 钛材表面改性方法 (9)

1.3 金属及合金的氧化 (12)

1.3.1 金属高温氧化的基本过程 (12)

1.3.2 金属氧化的动力学规律 (13)

1.4 国内外研究现状 (15)

1.4.1 国外研究现状 (15)

1.4.2 国内研究现状 (17)

1.4.3 国内外研究综述简析 (21)

1.5 本文主要研究内容 (23)

第2章试验材料及研究方法 (25)

2.1 试验材料 (25)

2.1.1 基体材料 (25)

2.1.2 涂层材料 (25)

2.2 涂层制备工艺 (27)

2.2.1 等离子喷涂功率及涂层种类探究 (27)

2.2.2 等离子喷涂距离探究 (27)

2.2.3 等离子喷涂涂层厚度探究 (28)

2.2.4 等离子喷涂表面预处理探究 (28)

2.3 涂层组织结构分析 (29)

2.3.1 X射线衍射分析 (29)

2.3.2 显微组织观察及成分分析 (29)

2.4 涂层性能测试 (29)

2.4.1 结合强度试验 (29)

2.4.2涂层表面气孔率测定 (30)

2.4.3 高温氧化试验 (30)

第3章TiBw/TC4复合材料表面抗氧化涂层的制备及组织形成规律 (31)

3.1 引言 (31)

3.2 等离子喷涂工艺影响因素及其优化 (31)

3.2.1．喷涂功率和涂层粉末种类对涂层/基材组织性能的影响 (33)

3.2.2．喷涂距离对涂层/基材界面结合强度的影响 (39)

3.2.3．涂层厚度对涂层组织形貌及界面结合强度的影响 (40)

3.2.4．基材表面粗化处理方式对界面结合强度的影响 (42)

3.3．等离子喷涂高温抗氧化涂层组织成分分析 (46)

3.4 本章小结 (48)

第4章钛基复合材料等离子喷涂CoCrAlYTaSi-TiB2复合涂层高温氧化行为 (49)

4.1 引言 (49)

4.2 钛基复合材料等离子喷涂前后氧化动力学 (49)

4.3 基材800℃下氧化行为 (51)

4.3.1基材800℃氧化后组织形貌变化 (51)

4.3.2基材800℃氧化后成分变化 (53)

4.4 CoCrAlYTaSi-TiB2复合涂层700℃高温氧化行为 (56)

4.5 CoCrAlYTaSi-TiB2复合涂层800℃高温氧化行为 (59)

4.6 分析与讨论 (64)

4.6.1 金属氧化膜的完整性与保护性 (64)

4.6.2 涂层合金元素氧化机理 (65)

4.7 本章小结 (67)

结论 (69)

参考文献 (70)

攻读硕士学位期间发表的论文 (75)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (76)

致谢 (77)

简历 (78)

第1章绪论

1.1课题研究背景及目的意义

钛合金具有比强度高、比刚度高、高温性能较好等优点，在航空航天及汽车民用等领域应用广泛。但与传统的钴镍基高温合金相比，钛合金在使用温度、耐磨性、抗氧化性能上并不具备优势，因此也大大限制了钛合金的使用范围。虽然通过引入陶瓷相，制备网状结构钛基复合材料（titanium matrix composites , 简称TMCs）可有效提高其耐磨性，但在实际应用过程中，若一味地提高增强体含量，则会降低材料塑性。同时该种复合材料中由于增强体呈三维网状分布，为氧在材料内部的扩散提供了更多通道，因此网状结构钛基复合材料抗氧化性能较钛合金提升不明显或与钛合金抗氧化性相当。如果能够改善TMCs的表面性能，提高其使用温度和高温抗氧化性能，将进一步扩大TMCs的应用前景。

等离子喷涂表面改性技术近年来得到了飞速发展，通过基材表面喷涂涂层，可以有效地将基材和涂层的性能结合起来，拓宽基材的应用领域，使基材在保证自身结构性能优势的同时，进一步提升其环境使用性能，是一种十分经济有效的改性方式。图1-1所示为2002年与2007年间世界主要国家热喷涂领域产值对比[1]。由此可见热喷涂技术在过去几年中，在世界范围内得到了飞速增长。因此在保证TMCs一定塑性的情况下，对中低增强体含量的TMCs进行表面改性，可以有效提高其使用温度和高温抗氧化性，在满足环境性能和使用性能的同时，基材强韧性得以保留。本课题组通过多年探索，制备得到的TiB晶须增强TC4合金基复合材料（TiBw/TC4）力学性能优异，并且由于增强体特殊的分布形态，更加丰富了基材/涂层界面结合强度、结合方式的研究内容。因此以其作为基材，通过表面改性进一步提升其使用温度及高温抗氧化性能，将使其在航空航天领域得到更广泛的应用。

钛材及其合金由于具有耐腐蚀性能好，耐热性高的特点，因此可以应用在生活、生产中的许多方面[2]。随着科学家对钛及钛合金研究的不断深入，钛合

金及其复合材料的重要性逐渐被人们所认识，因此科学家更加致力于对其研究开发，并使钛材逐渐在航空航天、高温发动机等领域得到实际应用[3, 4]。