涂覆Ti-Al-Cr-Y涂層的鈦合金在高溫大氣中的循環(huán)氧化行為

在航空發(fā)動機中，低壓及高壓壓氣機中的許多零部件由Ti-17和Ti-6242合金制造。當這兩種合金暴露在溫度高于500℃的空氣中時，形成的氧化層主要成分為二氧化鈦，保護能力較差，且氧會通過氧化層迅速擴散并溶解在基體中，導致基體表面脆化，使合金的力學性能降低而開裂。因此需要涂覆涂層來提高抗氧化性。

將Ti-6242和Ti-17合金加工成直徑為15 mm，厚1 mm的圓片狀試樣。試樣表面用4000#的SiC砂紙打磨，并用SiO2(粒徑0.04 μm)的懸浮液拋光。試樣在涂層沉積之前用射頻氬等離子體進行表面刻蝕。然后用純鈦、純鋁、純鉻和純鐿四個靶在基體表面采用直流電的操作模式，用磁控濺射法沉積Ti-Al-Cr-Y涂層，厚度為10 μm。

研究了基體鈦合金和涂覆有涂層的鈦合金在600和700℃空氣中循環(huán)氧化條件下的氧化行為。一個循環(huán)包括試樣在高溫爐內(nèi)熱暴露1 h，然后將試樣從爐中取出，冷卻10 min使試樣溫度降低到50℃的過程。為了確定氧化動力學曲線，每20次循環(huán)后測量試樣的質量變化。當最大循環(huán)次數(shù)為1000次或存在大量氧化層脫落時，試驗終止。用掃描電鏡、X射線能譜及X射線衍射等方法檢測涂層的微觀結構和熱氧化層。研究結果表明:氧化保護涂層對基體材料的附著力非常好，在600和700℃下1000次的高溫熱循環(huán)實驗中沒有發(fā)生脫落的現(xiàn)象。涂層為一種多相的微觀組織，包括Ti(Cr，Al)2Laves相和四方晶相。在600℃氧化時，四方晶相可能是AlCr2相和r-TiAl2相，而700℃時可能形成γ-TiAl相和r-TiAl2相。與基體鈦合金相比，有涂層的鈦合金試樣在600和700℃下氧化增重量顯著減少，表明Ti-Al-Cr-Y涂層具有很高的抗氧化性能。在700℃熱循環(huán)1000次后，有厚度大約為0.5 μm的連續(xù)氧化鋁層生長在涂層的表面。TiAl2相在700℃更長時間暴露后溶解，由于涂層和基體之間發(fā)生了內(nèi)擴散，導致一種Ti(Cr，Al)2Laves相和γ-TiAl相的兩相微觀組織形成。在涂層中觀察到氣孔和穿過涂層的裂紋。在高溫暴露的過程中氣孔已經(jīng)出現(xiàn)在沉積的涂層中并且出現(xiàn)合并的現(xiàn)象，但是沒有顯著地導致進一步氧化，且氣孔可以通過調節(jié)磁控濺射工藝參數(shù)(如沉積溫度和偏離電壓)來消除。然而，到達基體表面的裂紋會導致鈦合金的氧化，這些由熱應力引起的裂紋可能與涂層中高脆性的Ti(Cr，Al)2Laves相有關?？梢酝ㄟ^減少脆性相的體積含量來降低開裂的可能性，例如，可以通過調節(jié)涂層中的Cr含量以確保涂層具有較高的抗氧化性能。