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TiAl合金表面等离子喷涂CoCrAlY涂层性能的研究
1 R/ o: r3 h5 k$ C3 f' d0 前言 6 f6 d% D3 P A4 |8 z" @/ R
TiAl合金为面心四方有序结构，它的密度小，耐热性好。因为它能形成更好的铝表面涂层，TiAl合金具有高的高温强度、抗蠕变性能、高温纤维组织稳定性和弹性模量。使用温度可达1000℃的一种高温结构材料[1]。但是TiAl金属间化合物晶体对称性低，滑移系少，共价健电子数在总价电子数中所占比例较大（约30％），因此室温时TiAl合金呈现脆化。并常发生简单的解理断裂，难以在热加工过程中发生塑性变形。在800℃以上其抗氧化性表现出明显的不足，制约了其在高温下的使用，经热处理后，组织呈不均匀性存在粗晶断裂特征[2]。 ~( o1 o" C: n0 j/ J" m. j
虽然TiAl合金具有的作用是明显的，但在较复杂的工作环境下，单靠它自身的性能还是不能完全满足要求，为了增强TiAl合金在高温条件下的抗氧化等性能，我们通常利用等离子热喷涂技术在TiAl合金基体表面涂一层高质量涂层MCrAlY，从而使基体具有涂层材料的某些性能，如抗高温、抗氧化等。MCrAlY 型中，M代表：Co、Ni、Fe等；Y 是作为增强和维持保护性氧化涂层的功能(结合性、高温耐蚀性及降低内部扩散等)这类涂层，已引起人们的重视。高温环境中，MCrAlY涂层与环境相互作用，生成了具有保护性的Al2O3氧化层或Cr2O3氧化层，致密的氧化层能将基体与侵蚀性环境隔离，2 K; h) T+ L* s T4 c. y
极大地降低基体的氧化速度。涂层中添加0.1%～1.0%（wt）的Y，不仅提高了氧化层和基体之间的化学结合力，还使其抗循环氧化能力大大提高，涂层中添加一定量的Co，还可以改善抗热腐蚀能力[3]。本实验中采用CoCrAlY 涂层。其中，CoCr合金的组织为Co-Cr的γ固溶体及弥散析出的铬和钨的炭化物和硼化物,具有耐热耐磨抗腐蚀、抗蠕变、抗高温氧化以及高的硬性和好的韧性等多方面的优越性能，特别是可耐H2S腐蚀[4]。
8 |9 z; c- u) x- A2 o1试验方法
% `6 P/ v; Q! n0 x. P/ |# A$ b. ^' e1.1 等离子喷涂 + |+ M; o# S7 d, |2 J& n$ F7 L3 b0 z( c
将TiAl合金（45Ti-45Al-2Mn-2Nb-1B）棒材用线切割机切割成为10mm×10mm×1mm的试样，喷涂涂层前用砂纸将表面磨光，以除去表面的油污和锈斑，然后再对试样表面进行喷砂处理，使表面具有一定粗糙度之后用超声波清洗仪清洗试样表面，并用丙酮清洗试样，等表面吹干后，将试样固定在旋转工作台上，启动旋转工作台，使之以180r/s的速度转动，试样距喷枪的距离为140mm。
# k0 S+ E8 F$ v( ~5 FCoCrAlY(70Co-21Cr-8Al-0.5Y)粉末放入送粉器中，启动等离子喷涂设备，通入适当氩气和氢气，将电源电流从450A加大到600A，等离子流产生，CoCrAlY粉末通过喷枪口时被熔化，以胶状态形式自枪口喷出，喷到试样表面，逐步形成涂层。同时通入氩气和氢气主要是作为保护气氛。$ N+ F! i+ [ w9 d8 G- W V- t
1.2 高温氧化试验 ; A% H) |) P4 u3 P5 {& M" M
用热分析天平进行高温氧化试验，其工作示意图见图1。首先使天平与所挂试样平衡，把石棉垫片盖在加热炉上，把输氧管插入氧化罐中。然后加热加热和通入氧气，开启计算机进行氧化增重补偿工作。前期每5min记录1次，5h后每0.5h记录一次。试验温度为850℃。 1.氧气瓶 2.输氧管道3.试样 4.氧化罐5.加热炉 6.石棉垫片 7. 天平 8. 计算机 图1 高温氧化试验示意图 Fig.1 Sketch map of the oxidation experimentation 2 试验结果和分析 ! A* B. X0 e6 {; K- d
2.1 显微组织及硬度分布
b9 Z, Z0 o, ?9 A1 h' u8 ?2 u图2是喷涂后试样没有经过高温氧化和经过850℃高温氧化处理后的显微组织，图中左边是材料基体，右边是涂层，黑点是显微硬度计压痕。从图中可以看出CoCrAlY涂层致密和基体结合紧密。而且，经高温氧化处理的涂层上的显微硬度压痕明显小于没经过高温氧化处理后的压痕。说明经过高温氧化处理，Co、Cr、Al、Y等元素在高温下与氧结合形成氧化物，使涂层在经过热处理后变的十分致密，硬度大大提高。
- u) L$ z; M0 n- E9 t# la）涂层未经高温氧化处理 b）经850℃高温氧化处理后 图2 CoCrAlY涂层的显微组织 ×400 Fig.2 Microstructures of CoCrAlY coating ×400 2.2 CoCrAlY涂层表面形貌
1 m$ x- n( H& p4 A$ _- m图3是试样表面形貌SEM图片，其中a）是未经高温处理的，b）是经过850℃高温氧化处理。从图中我们可以看出未经高温处理的试样表面涂层颗粒大部分呈条形，有少量呈椭圆形，粒度不均匀，其中有空洞。随着高温氧化处理温度的升高，CoCrAlY涂层中的Co、Cr、Al、Y等元素逐渐与氧结合，形成氧化物，覆盖于涂层表面，增加了涂层的致密度。可以看到涂层呈条带状，并由条带状或不规则颗粒状的熔融粒子相互搭接，逐层堆积而成，具有典型的层状结构形貌，这是等离子涂层的基本特征之一[5,6]。5 i0 b/ G# h7 D. U/ E5 ~! P, h
b）经850℃高温氧化 图3 试样表面形貌 Fig.3 SEM micrograph of sample surface 2.3 试样静态氧化增重曲线 ) G+ U" E4 X- P4 h, i* O% {
图4是TiAl基体和喷涂后试样在850℃经100h静态氧化的增重曲线。当在850℃条件下,保温时间未达到80h时,CoCrAlY涂层的氧化物增重明显多于TiAl合金基体的氧化物增重,但CoCrAlY涂层的氧化物增重速度同TiAl合金基体相比，明显低于TiAl合金基体。保温时间达到80h以后，CoCrAlY涂层的氧化物增重逐渐少于TiAl合金基体的氧化物增重,且其增重速度明显低于YiAl合金基体。因此，当高温环境维持在较长时间内，由于CoCrAlY涂层表面覆盖的氧化物阻碍了其进一步氧化，CoCrAlY涂层的抗氧化性明显优于TiAl合金基体，能起到高温抗氧化的作用。
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图4. 氧化增重曲线 Fig.4 Curves of oxidation weight gain 3 结论 # T, ]3 w" e. |5 X. A* f0 i1 K
U& a& e M2 |" J" o3 e（1）利用等离子喷涂法在TiAl合金表面形成由CoCrAlY陶瓷热障涂层。. d+ Q; z( N1 [/ D9 M7 k
（2）喷涂后试样在经过高温氧化处理后，表面陶瓷层的硬度显著增高，说明CoCrAlY涂层适宜于高温环境条件下的优越性。
* X; x6 `8 b, f" T% Z$ H& o（3）高温氧化试验表明，当高温环境维持在较长时间内，由于CoCrAlY涂层表面覆盖的氧化物阻碍了其进一步氧化，CoCrAlY涂层的抗氧化性明显优于TiAl合金基体，能起到高温抗氧化的作用。 | 
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发表于 2007-10-14 11:22:33