鈦合金以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)在高速飛行器中被廣泛使用。但隨著飛行器速度的日漸提升,其面臨的氣動(dòng)加熱問題也越發(fā)嚴(yán)峻。飛行器表面的高溫會(huì)造成表面鈦合金結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能失效并引起鈦合金的氧化與氧脆問題,當(dāng)熱量向飛行器內(nèi)部傳導(dǎo)后,易導(dǎo)致飛行器內(nèi)部電子元件等關(guān)鍵部件無法正常工作。目前,利用高發(fā)射率涂層將表面氣動(dòng)熱以輻射形式散失,從而降低飛行器表面溫度是一種常用的熱防護(hù)方式。延長(zhǎng)使用壽命并提高安全性。本文采用液相等離子體沉積法、漿料法分別在TA15鈦合金表面制備了TiO_2基、Al_2O_3基以及磷酸鋁鉻基高發(fā)射率抗氧化涂層。采用XRD、EDS、SEM、XPS、FT-IR等分析手段對(duì)涂層的相組成、元素成分、微觀形貌、元素價(jià)態(tài)、膠粘劑官能團(tuán)進(jìn)行表征,研究了涂層對(duì)TA15合金在700oC時(shí)的紅外發(fā)射率、高溫抗氧化能力以及散熱涂層與基體間的剪切強(qiáng)度的影響,并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析。采用陽(yáng)極等離子體沉積法在Na_2CO_3堿性體系中制備了同時(shí)含有金紅石與銳鈦礦相的TiO_2涂層,其與基體間有較好的剪切強(qiáng)度,但在3-8μm波段紅外輻射能力較低。為了進(jìn)一步提高涂層的輻射能力,在含有NaAlO_2的堿性電解液體系中制備含有Al_2TiO_5相的陶瓷涂層,使得涂層在3-8μm波段的紅外輻射能力得到一定的提高。在酸性體系電解液中采用陰極等離子體沉積法制備了由α-Al_2O_3與γ-Al_2O_3構(gòu)成的Al_2O_3基涂層,并在其中分別摻入Fe與Mn元素。XRD表征結(jié)果顯示,過渡金屬元素的摻入并未在涂層中產(chǎn)生新相。SEM觀察結(jié)果表明,隨著摻入Fe、Mn元素濃度的提高,涂層的球狀堆疊形貌逐漸消失。涂層與TA15基體間始終保持著較好的剪切強(qiáng)度。其光譜發(fā)射率顯示,Fe與Mn元素的摻入使得涂層的紅外輻射能力得到了很大提升,當(dāng)電解液中Mn:Al摩爾濃度比達(dá)到8%時(shí),其3-8μm平均發(fā)射率提高了26.7%,8-20μm平均發(fā)射率提高了46.4%。同時(shí),Fe與Mn元素的摻入對(duì)樣品的抗氧化能力沒有顯著影響。采用漿料法在TA15基體表面制備具有高輻射能力的抗氧化涂層。采用磷酸鋁鉻膠粘劑作為漿料中的膠粘劑,Al_2O_3、SiC、AlN混合物為固化劑,分別采用了混合氧化物、含SiC混合氧化物、含BN混合氧化物為填料制備了高發(fā)射率抗氧化涂層。其中,以混合氧化物為填料的涂層,在其3-8μm波段的平均發(fā)射率可達(dá)0.74,8-20μm波段平均發(fā)射率可達(dá)0.87,相比于液相等離子體沉積法制備的涂層有進(jìn)一步提高。另外,對(duì)混合氧化物填料進(jìn)行了預(yù)熱處理。研究結(jié)果表明,以1050oC預(yù)熱處理后的混合氧化物為填料的涂層,其紅外輻射能力得到了進(jìn)一步提高。該涂層在3-8μm波段的評(píng)價(jià)發(fā)射率可達(dá)0.8,8-20μm波段平均發(fā)射率可達(dá)0.9。這是由于1050oC預(yù)熱處理使得涂層中出現(xiàn)了Mn_(1.5)Cr_(1.5)O_4亞穩(wěn)相造成的。但是,相對(duì)于液相等離子體沉積涂層,漿料法制備涂層與基體間的剪切強(qiáng)度較低。綜合液相等離子體沉積法與漿料法的優(yōu)點(diǎn),在TA15合金表面以陽(yáng)極液相等離子體沉積涂層為過渡層,磷酸鋁鉻基涂層為輻射層制備了復(fù)合涂層。復(fù)合涂層具有與磷酸鋁鉻涂層相近的紅外輻射能力,同時(shí),由于磷酸鋁鉻涂層與陽(yáng)極液相等離子體沉積制備的過渡層之間良好的機(jī)械鍵合與化學(xué)鍵合作用,相比于單純的磷酸鋁鉻基涂層,與基體間的剪切強(qiáng)度大為提高。同時(shí),由于過渡層可以進(jìn)一步阻止氧氣向TA15基體內(nèi)擴(kuò)散,復(fù)合涂層表現(xiàn)出相對(duì)于磷酸鹽涂層更強(qiáng)的抗氧化能力。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V252.2;TG174.4
【部分圖文】：

同時(shí)，高溫氣體將與飛行器表面產(chǎn)生傳熱作用，引起飛行器劇升高，這一過程即所謂的氣動(dòng)加熱過程。由于氣動(dòng)加熱過程的的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。因此，與飛行速度和飛行環(huán)境中的氣體密度常熱流密度與速度的三次方成正比，并與大氣密度的平方根成正以航天飛機(jī)為例，圖 1-1 給出其各部分所需承受的最大溫度。

進(jìn)一步反應(yīng)生成 TiO2的親合能為-54.99 eV[23]。因此，鈦合金的氧化最終會(huì)生成 TiO2和 Al2O3。在高溫下，鈦元素與氧氣反應(yīng)會(huì)生成疏松TiO2層。氧氣很容易通過空隙向合金表面擴(kuò)散，這使得氧化膜會(huì)迅速增，氧化層的迅速增厚會(huì)造成氧化層與合金之間的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致容易脫落[24,25]。鈦基合金的氧化示意圖如圖 1-2 所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文從而在表面形成 Al 的優(yōu)先氧化。但是當(dāng) Al 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過 6%形成脆性的 Ti3Al 金屬間化合物，這將犧牲鈦合金的韌性[27]。研究表其富含 Al 元素，氧化過程中可以在表面形成致密的 Al2O3保護(hù)層，l 金屬間化合物在 850oC 時(shí)仍然可以保持良好的抗氧化能力[28]。但是間化合物在低溫時(shí)韌性較差，同時(shí)熔煉工藝復(fù)雜，且較難保持材料的導(dǎo)致其成本一直高居不下，主要用于航空引擎中后級(jí)壓氣機(jī)葉片，極飛行器的大型結(jié)構(gòu)件[29]。相比于通過整體合金化改善鈦合金的抗氧化來的高風(fēng)險(xiǎn)和需要對(duì)全部冶煉、加工工藝進(jìn)行調(diào)整，研究者更傾向于表面的性質(zhì)，阻止氧氣向其表面擴(kuò)散[30]。

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本文編號(hào)：2834971