钛合金表面抗氧化改性技术

涂 功 能梯 度 材 料 进 行研 究 ，研 究 结果 表 明 ：利 用 等 离 子 喷涂 可 在 Ｔ Ａ 合 金 表 面 形 成 由 Ｃ Ｎｉ Ａ Ｙ 过 ｉ１ ｏ Ｃｒ ｌ
图 ２ 离３ ｚ０２Ｙ２ ）陶 瓷 热 障 层 组 成 的梯 度 涂 层 ， 且 结合 紧 密 。喷 涂 后试 样 在 经 过 高 温 氧 化 后 ，表 面 的硬 度 有 所 增 大 ，试 样 表 面 耐 磨 性 能 提 高 。高温 氧 化 试 验 表 明， 经 表 面 喷涂 处 理 的 ＴＡ１ 金 试样 在 未 ｉ 合 不 同 温 度 下 的 氧 化 增 重 比 喷 涂 有 Ｃ Ｎｉ ｒ ｌ ｏ Ｃ ＡＹ＋ （ ｒ ＋ ２ ） 瓷涂 层 的 ＴＡｌ 金 试 样 要 大 得 多 。 Ｚ０２Ｙ Ｏ３陶 ｉ 合 喷涂 热 障涂 层 对 于 提 高 ＴＡ１合 金 的抗 氧 化 性 的作 ｉ
却 凝 固 ，形 成 沉积 层 。就 这 样 喷过 来 的细 小熔 滴 一
钛合 金 取 代 镍 基 高 温 合 金制 造 压 气 机 叶 片等 高 温 部
件 ，可 以大 幅 度 减 轻 航 空 发动 机 的重 量 ，提 高航 空 发 动机 的推 重 比Ｌ。 ｚ Ｊ
目前 ，钛 合 金 作 为 压气 机 叶片 等 材料 使 用 还 存 在 着 抗 高温 氧 化 性 能 差 等 问题 。钛 合 金氧 化 破 坏 的
２ 等 离子 喷涂技术 制备抗氧 化涂层
２１ 等 离 子 喷涂 技 术 简 介 ．
３ ）由于 采 用 惰性 气 体 作 为 工 作 气 体 ， 以涂 层 所
不 容 易被 氧 化 ，保证 了涂 层 的纯度 ；
等离子喷涂是以电弧放 电产生等离子体作为高
温 热 源 ， 以喷 涂 粉末 材 料 为 主 ，将 喷涂 粉 加 热 至 熔 化或 熔 融 状 态 ， 等 离 子 射 流加 速 下 获 得 很 高速 度 ， 在 喷射 到 基 材 表 面 形成 涂 层 。等 离 子 弧温 度 较 高 可 熔 化 目前 已知 的任 何 固体 材 料 ； 喷射 出 的微 粒温 度 高 、
为 双 原 子 分子 气 体 进 入 到 电极腔 内 ，被 电弧加 热 离 解 成 离 子和 电子 的平 衡 混 合 物 ，形 成 等 离 子体 ，其 温 度 高 达 ３ ０ 同时 处 于 高度 压 缩 状 态 ，所 以 ００ ０Ｋ， 其 能量 极 大 【 。等 离 子 体 通 过 喷 口时 急 剧膨 胀 形 成 ３ 】 亚 音 速 的等 离 子流 ，速 度 高达 １ ｍ・ 。基 体先 被 ．ｋ ｓ ５ ～ 预 热 ，随 后 雾 化 的细 小 熔 滴 喷射 到基 体 上 ，快速 冷
用 明显 。 ３２ 离 子 注 入 法特 点 ．
离 子 注 入 技 术 相 对 于 其 他表 面 防护 技 术 主 要 具 有如下特点： １ 子注 入 是 一个 非 平 衡 过 程 ， 子 注 入 元 素 ）离 离 的选 择 不 受 冶 金 学 限 制 ，注 入 的浓 度 也不 受 平 衡 相 图 的约 束 ：
广 泛 的应 用前 景 。
度 最 高可 达 ３ ％以上 ，在 高 温 空气 中长 期 暴 露 ，表 ０ 面 会 形成 脆 性 氧 化 层 ，使钛 合 金 脆 化 ，延伸 率 降低
幅 度 最 大 可达 ５ ％。通 过 合 金成 分 优 化 设 计或 微 观 ０
组 织 调 控 方法 改善 钛 合 金 的抗 氧 化 性 能 的 可 能性 很 小， 必须 采 用 表 面 改 性和 防护 方 法 以满足 技 术 要 求 ， 这 一 观 点 已成 为 国 内外 钛 合 金 专 家 的 共 识 Ｌ。本 文 ｚ ｊ 着 重 介 绍 等 离 子 喷涂 和 离 子 注 入两 种 钛 合 金表 面抗 氧化改性技术。
在 ７ ０℃ 大气 环 境 中进 行 静 态 氧化 实验 ， 实验 结 果 ５ 显 示 ，该 Ａ１ ｕＦ — ｒ 晶涂 层 大 大提 高 了 Ｔ ９钛 ． ．ｅＣ 准 Ｃ Ｃ
合 金 基体 的抗 氧 化 性 能 。
功 能梯 度 材 料 是 一 种 针 对 使用 环 境 内外 具 有 较 高 的温 度 差 时 ，为 防 止材 料 内部产 生 材 料 无 法 承 受 的 巨大 热 应 力 而 研 究 开 发 的 一 种 新 型 复 合 材 料 【。 ６ 】 周 海 等人 【采 用 等 离 子 喷涂 技 术 在 ＴＡｌ 金 表 面 喷 ７ Ｊ ｉ 合
４ 由于喷涂时的焰流 喷射速度高， ） 粉末可 以获 得较大速度 ，所 以喷涂后可以形成致密度很高的涂
层。
等 离子 喷 涂 的缺 点有 Ｌ： ３ Ｊ １ ）喷 涂 后涂 层 表 面 较 粗糙 ；
收稿 日期 ：２ ０—２１ ０ ８１．９ 作者简介 ：张毅斌 （ ９ ８） １６ ． ，男，高级工程 师，主要从事钛制 品生产 的质量管理工作 ，电话：０ １ ．７ ５ ０ 。 ４ ２６ ２ ６ ６
保 持合 金 表 面 稳 定性 。 离 子 注 入 表 面 改 性 技 术 由于其 所 具有 的一 系 列
３ ）离 子 注 入 是 在 高真 空 （ Ｏ ～ １ Ｐ ）和 比 １一 ０ ａ
较 低 的 温 度 下进 行 的 ， 因此 被 处 理 的部 件 不 会 受 到 环 境 的 污 染 ，不 会 变 形 或 退 火 软 化 ， 因而 十 分 适 宜
主 要 形式 是 “ 脆 ” 氧 。由于氧 元 素 在 钛 合 金 内的溶 解
层 层 冷 却 下 来 形成 涂 层 。低 压 等 离子 喷 涂 能 大 幅度 提 高材 料 的耐 蚀 、耐 磨 、抗 氧 化 性 能 。这 种 工 艺被 广 泛 用 于 航 空 航 天及 民用 部 件 的 处理 ，在 工 业上 有
于 零 件 和产 品 的最 后 表面 处 理 。 但 离 子注 入 表 面 改 性 也 有 其 自身 的缺 点 ，主 要 表 现 为 直 射 性 ，所 以有 时无 法 处 理 复 杂 的 凹面 或 内
优 点 ， 被 广 泛 用来 研 究 和 改 善 材 料 的抗 氧 化 性 能 。 也 从 离子 注 入 提 高 抗氧 化 能力 角 度 考 虑 ，有 ２点值 得
３ 能产 生 噪声 、 强紫 外线污 染 ， 操作 者 不利 。 ） 极 对
使其在 电场 中加速 ，在获 得较高 的速度后射入固体 材 料 表 面 ， 通 过注 入过 程 本 身 以及 注 入 元 素 的物 理 或 化 学 效应 以 改变 材 料 表 面 成 分 及 相 结 构 ，从 而达
到 改变 材 料 表 面性 能 的 目的 。 由于 这 个 过 程 没 有涂 层 产 生 ，所 以零 件 的尺 寸 及 整 体 性 能 并 没 有 改变 ， 离 子注 入 的 表 面 也不 存 在 结合 力 、残 余 应 力 以及 组 织 恶化 等 问题 。通 过 选 择 适 当 的注 入 元 素 及注 入 工
第２ ６卷 第 ｌ期
２ ０ 年 ２月 ０９
蔫
Ｆ２ Ｏ Ｖｍｙ Ｏ ｅ６ ２９ ０ Ｎ１ ＿ａ ０ ｂｒ ． １ ．
钛合 金表 面抗 化 改性技术
张毅斌 ，邵 军 ，撒 世 勇 ，李德 强 ，王 大伟
（ 中国人 民解放军海 军驻鞍 山钢铁 集 团公司军事 代表室 ，辽 宁 鞍 山 ｌ４ ０ ） １０ ０
２ 离子注 入元 素是分散停 留在基体 内部， ） 没有
１ ８
钛 工 业 避 鼹
｛ ｍ ｍ ，： Ｉ ｆ ｔ、 ｌ ｝ ｌ ｌｍ ’ ｌ
２ ６卷
界 面 ， 故 改 性层 与 基 体 之 间 的 结 合 强度 很 高 ，附着
性好；
注入 Ｎ ｂ和 Ｔ 可 有 效 改 善合 金 的抗 高温 氧 化性 能 ， ａ
层 的抗 氧 化 性 能进 行 了研 究 。研 究 结 果 表 明 ：采 用
引 出栅
低 压 等 离子 喷涂 技 术在 Ｔ ９ 钛 合 金 表 面 上 成 功 地 ｃ
制 备 了 Ａ１ ｕＦ — ｒ准 晶涂 层 ，涂 层 与 钛 合金 基 体 ． — ｅＣ Ｃ 的界 面 比较 平 滑 ，涂 层 与 基 体 有较 好 的 结合 强度 。
氧
离 子 喷 涂 、 高 能等 离 子 喷 涂 、低 压 等 离 子 喷涂 、水
稳 等 离 子 喷涂 等 。等 离 子 喷涂 的主 要 原 理 （ 图 １ 见 ）
目前 ，钛 合 金 在 航 空 航天 和 军 事 工 业 上 得 到 了广 泛
的应 用 。提 高 钛 合 金 使用 温 度 ，在 航 空 发动 机 中用
图 １ 等 离子 喷涂原 理示 意 图
的 Ａｌ 保 护 层 ，通 过 适 当 的离 子注 入 方法 就 有 可 ２ ０３
能 改变 钛 合 金 高 温 氧 化 反 应 时表 面 氧 化 层 的形 成 机 ２３ 等 离 子 喷涂 技 术 的应 用 ．
准 晶材 料 具 有较 好 的 隔热 、抗 氧 化 、 阻 燃 、 耐 理 ，有 效 改 善 它 的抗 氧 化 能 力 。此 外 ，从 节 约 合 金
２２ 等 离 子 喷涂 的特 点 ．
等 离 子 喷 涂 的优 点有 Ｌ： ３ Ｊ
１ ）喷 涂温 度 高 ，能熔 化 任 何 固 体粉 末 材 料 ，一 般 爆 炸 喷 涂 ，超音 速 喷 涂 都 达 不到 以上 要求 ；
２ 因喷 嘴 能调 节 形 状 和 工 作条 件 ，所 以金 属 、 ） 陶 瓷及 有 机 材 料 都 能进 行 喷 涂 ；
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第 １ 期
张毅斌等 ： 钛合金表面抗氧 化改性技术
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２ ）因为 喷 涂 速 度 高 ，喷 涂 不 易 控制 ，对 喷涂 复 杂 零 件 比较 困难 ；
３ 离子 注入法 表 面抗氧 化改性
３１ 离 子 注入 法 简 介 ． 离 子 注 入 是 一种 材 料 表 面 改性 的高 技 术 （ 备 设 见 图 ２ ８】 ）【 ，它 是 将 某 种 元 素 的 原子 进 行 电离 ，并