如何提高钛合金的抗高温氧化性能？
发布者：2021-04-08 10:08:28
钛合金因具有高强度、低比重等优异性能而被广泛应用于航空工业。目前，钛合金的使用量已经成为衡量飞机发动机是否先进的重要指标之一，由钛合金制备而成的转子盘、叶片已普遍使用于先进的航空涡轮发动机中。然而，在高温使用条件下，氧元素的扩散渗入会造成钛材的表面氧化，进而严重影响了钛合金的使用寿命。因此，如何提高钛合金的抗高温氧化性能成为当前研究热点。
钛合金的高温氧化
1.1 纯钛的氧化
当温度在500℃以下时，纯钛的性能较为稳定，然而随着温度的继续升高，氧元素不断渗入到钛晶格中并与钛基体发生反应，在钛材表面生成大量的金红石结构的TiO2 氧化物。而金红石结构的TiO2 结构疏松且极易破裂，脱落，致使钛材重新暴露出新鲜表面，即纯钛材的高温氧化行为可看成为表面氧化膜的循环层状剥落。
1.2 合金元素对钛合金氧化性能的影响
Al、Cr、Si 等合金元素的加入不仅会改变钛合金的力学性能，还会影响其抗高温氧化能力。其中，当钛中Al 元素的含量达到一定浓度后，亲氧性 Al 元素会优先与氧发生反应，在钛基表面形成一层连续、致密、稳定的Al2O3 氧化膜，进而对基体材料起到了较好的抗高温氧化作用。Cr 元素的存在一方面可以促进Al2O3 氧化膜的形成，另一方面含Cr 相的互溶区可形成一定的扩散层，当钛基覆盖有Al 防护涂层时，该扩散层可有效抑制Ti、Al 元素的互扩散，从而延长涂层的使用寿命。
提高钛合金抗高温氧化性能方法
2.1合金化
合金化即通过对钛合金的组分进行调整，进而改变了钛合金的组织形态及氧化膜形态以提高其抗高温氧化性能。然而研究表明， 当合金元素的加入量较小时，并未对合金的抗氧化性能起到影响，只有当合金元素加入量较高时，才会有较好效果。但是，过量的合金元素会严重影响合金的力学性能，无法满足航天用材的安全性能要求。因此合金化并不是理想的提高钛材抗高温氧化性能的方法。
2.2抗高温氧化表面工程技术
对目前钛合金的抗高温氧化表面工程技术而言，根据防护性涂层与钛基体结合方式的不同，可分为扩散涂层与包覆涂层。扩散涂层与包覆涂层较合金化而言，均可在有效提高钛基抗高温氧化能力的同时又不破坏其整体力学性能。目前常用的表面合金化方法有扩散渗技术、熔结涂层技术、离子注入技术和预氧化、硫化、渗氮等。
扩散渗技术：已有学者采用表面渗Al、Al-Cr 共渗、Al-Si 共渗的方法使钛合金与渗层元素发生反应，生成相应的Ti-Al、Ti-Cr、Ti-Si 等金属间化合物，而此类金属间化合物在高温氧化过程中，可向表面层源源不断的提供Al、Cr、Si 等元素，进而在钛基合金表面形成连续、致密、稳定的Al2O3 等氧化膜，对钛基起到了很好的抗高温氧化作用。
扩散渗技术因其抗高温氧化效果优良且操作工艺简单而被广泛应用于工业生产中，但该方法存在耗时长，对能源消耗量巨大且易对环境造成污染等劣势。
熔结涂层技术：与扩散渗技术相比，熔结涂层技术更加环保与经济。熔结即金属表面短时间内发生的高温冶金反应，通过熔结涂层技术制备而成的防护涂层可把钛合金使用温度提升至900℃。但是，基体与涂层间较差的相容性是该技术有待解决的问题所在。
离子注入：向钛合金注入Cr、Nb、Si 等元素，此类元素在高温下生成的氧化物可弥散分布于晶界，从而降低了氧在晶界的扩散速率，提高了钛基体的抗高温氧化能力。但离子注入技术的注入深度太浅，对基体防护能力有限，这也正是离子注入技术的弱点所在。
相对于整体合金化和扩散涂层而言，在钛合金表面直接制备防护性涂层则更加经济与便捷，在高温氧化环境下，涂层表面可形成连续致密稳定的氧化膜，对基体材料起到较好的防护作用。根据涂层制备方法的不同，可分为热喷涂、磁控溅射、离子镀膜及PCD、CVD 等多种真空沉积技术。而就涂层成分则可分为MCrAlY 系列、TiAl-X 系列、NiAl 系列、铝- 硅酸盐涂层及搪瓷涂层等。
MCrAlY 系列涂层：该系列涂层曾广泛作为合金的抗高温氧化防护涂层，其中M 为Ni 或Co，是涂层的基体元素，Al 元素则可在氧化时形成连续致密的Al2O3 氧化膜，Cr 的存在可以促进Al2O3 氧化膜的形成，Y 则可以提高氧化膜的附着力。早期的钛合金防护涂层即把MCrAlY 粉末通过火焰喷涂的工艺方法喷射至钛基表面所得，试验表明MCrAlY系列涂层可有效抑制钛合金的高温氧化速率，提高其抗高温氧化能力。然而在长时期高温加热情况下，涂层中各元素极易与钛基体中Ti 元素发生互扩散，从而缩短了涂层的使用寿命。目前，学者们通过在涂层与钛基间添加扩散阻挡层以抑制元素的互扩散。
TiAl-X 系列涂层：此类涂层的化学成分与钛基体具有一定的相似性，故该类涂层与基体的相容性较好且涂层与基体间不易发生互扩散反应。在高温氧化过程中，TiAl-X 涂层表面能快速生成Al2O3 防护膜进而对钛基体起到良好的保护作用。另外TiAl-X 涂层与钛基的热膨胀系数相近，氧化膜具有较好的粘附性。但TiAl-X 系列涂层一般由PVD技术或磁控溅射制备而成，工艺成本较高，这也在一定程度上限制了TiAl-X 系列涂层的工业应用。
搪瓷涂层：此类涂层为一种新型的复合氧化物涂层，其具有高温抗氧化性好，稳定，结构致密等优点。且该涂层制备工艺简单，成本低廉，有望广泛应用于钛合金抗高温氧化涂层的制备。但搪瓷涂层中含有一定量的氧，在高温烧制过程中于钛合金中形成富氧层，进而影响到钛合金的力学性能，这也是搪瓷涂层有待改善的关键所在。
未来展望
综上所述，无论是使钛合金整体合金化还是在钛合金表面制备扩散涂层及包覆涂层，均可不同程度的提高钛合金抗高温氧化能力。但不同工艺方法又有着自身的局限性与劣势，故钛合金表面抗氧化技术有待进一步研究。
抗高温防护涂层不仅应具有良好的抗高温氧化能力，还应与基体结合紧密。另外，高温下涂层元素与钛基体元素不易发生互扩散反应，目前来看，单一涂层很难同时满足上述条件，而复合涂层则具有更好的综合性能，徐一等人采用磁控溅射和电弧离子镀技术在γ-TiAl 合金表面制备NiCrAlY/Al 复合涂层，结果表明：该复合涂层可显著提高基体于950℃下的抗高温氧化能力。
单一的表面合金化方法虽可在一定程度上提高钛合金的抗高温氧化能力，然而却不可避免的存在自身的缺点，将多种不同表面合金化技术有机的结合在一起，则可起到更好的防护作用。
