發(fā)布時間：2018-10-19 19:38

【摘要】：鈦合金由于其高比強度和優(yōu)異的抗海洋環(huán)境腐蝕的特點在航空航天等領域得到廣泛的應用,但其抗高溫氧化性能差,容易燃燒形成鈦火,使其只能在低溫下應用。然而部分軍工所用特殊鈦合金部件需要在高溫下使用,僅僅從合金基體成分改進鈦合金的使用溫度有限,在一些特殊情況下需要鈦合金件具有一定的隔熱效果,采用表面涂層保護是一種經濟實用的方法。本文以某尾噴管及葉片等受熱部件為研究背景,選用TC4鈦合金(Ti6Al4V)為研究對象,提出了利用鈦合金表面微弧氧化近基體致密內層作為抗高溫氧化層,利用微弧氧化多孔外層作為粘結層,在其表面制備等離子噴涂釔穩(wěn)氧化鋯(YSZ)為隔熱層,構成新型抗氧化隔熱復合涂層。目的在于提高鈦合金基體的抗氧化和隔熱性能,這對于提高鈦合金的使用溫度和解決某些特殊工況對鈦合金的要求具有極其重要的理論意義和工程實用價值。本文首先針對微弧氧化阻氧粘結層開展系列研究,目的在于制備具有最為優(yōu)異抗氧化性能的微弧氧化涂層。首先選用單一磷酸鹽作為電解液,利用正交試驗研究了微弧氧化的電壓、時間、電解液濃度對涂層組織結構及性能的影響規(guī)律。開展了鈦合金表面微弧氧化阻氧層的氧化動力學分析,建立了在磷酸鹽電解液體系下鈦合金表面微弧氧化膜層生長模型,豐富了鈦合金表面微弧氧化涂層生長機理。利用回歸分析法建立了用磷酸鹽電解液體系制備微弧氧化陶瓷涂層工藝參數與氧化增重(抗高溫氧化性能)之間的2次函數數學模型。在優(yōu)化的電解參數基礎上,向電解液中分別添加不同含量的ZrO2、Al2O3陶瓷顆粒制備了ZrO2/ZrTiO4復合陶瓷涂層以及以Al2T1O5為主晶相的復合陶瓷涂層。系統(tǒng)地研究了微弧氧化涂層組織結構、表面粗糙度、抗氧化性和熱震性、耐磨性以及涂層與基體結合力,分析比較了添加粉體前后涂層的氧化動力學特性,用Wagner氧化理論擬合獲得了氧化動力學方程。結果表明：添加粉體制備的復合涂層比單一不加粉體的微弧氧化涂層具有更為致密的涂層結構,更為優(yōu)異的抗高溫氧化和熱震特性,更好的耐磨特性及更高的涂層結合力。加入到電解液中的陶瓷顆粒被吸入熔融態(tài)陶瓷中后成為凝固核心,加速凝固過程,減少微弧孔數量；陶瓷顆粒熔入陶瓷后由于其體積效應致涂層更為致密,體現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。采用等離子噴涂在上述改性的微弧氧化涂層表面制備釔穩(wěn)氧化鋯(YSZ)涂層。對微弧氧化涂層/YSZ復合涂層組織結構、抗高溫氧化性能、隔熱性能展開了系統(tǒng)研究。結果表明微弧氧化涂層與YSZ涂層間緊密結合,結合強度高；在700℃,200h條件下TMPAL-YSZ較傳統(tǒng)MCrAlY-YSZ涂層具有更好的抗氧化性能,高溫氧化后涂層與基體之間無元素互擴散。利用隔熱試驗,在第三類邊界條件下對一維無內熱源瞬態(tài)導熱微分方程計算,利用Ansys軟件進行了一維熱分析對復合涂層隔熱性能進行綜合表征。微弧氧化涂層作為阻氧層封閉層,在高溫條件下具有較好抗氧化性能,高溫氧化后涂層與基體之間無元素互擴散;其表面顯著的“火山口”結構特點,有助于其與等離子噴涂隔熱YSZ涂層實現(xiàn)鉚合,從而可實現(xiàn)在不影響基體力學性能的基礎上提高鈦合金抗氧化隔熱性能。
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【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG174.4

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本文編號：2282158