TiAl/BN復(fù)合封嚴(yán)涂層的耐腐蝕性能研究

張峰，黃傳兵，蘭昊，杜令忠，張偉剛

（1.中國科學(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

航空發(fā)動機(jī)的機(jī)匣和葉片在工作過程中會發(fā)生熱膨脹變形，因此，在發(fā)動機(jī)裝配過程中其轉(zhuǎn)子與機(jī)匣或者外環(huán)塊之間要預(yù)留一定間隙[1-3]。該間隙會嚴(yán)重降低風(fēng)扇、壓氣機(jī)及渦輪機(jī)的工作效率，同時增加油耗[4-6]。為提高發(fā)動機(jī)的工作效率，通常采用熱噴涂技術(shù)在機(jī)匣表面制備可磨耗涂層對上述間隙進(jìn)行封嚴(yán)控制。

Al/BN復(fù)合涂層是航空發(fā)動機(jī)常用的封嚴(yán)涂層材料之一，由金屬相Al、潤滑相六方氮化硼以及一定比例的孔隙構(gòu)成。由于Al耐鹽霧腐蝕性能差，同時大量的孔隙為腐蝕介質(zhì)提供了滲透通道，會誘發(fā)涂層內(nèi)部發(fā)生縫隙腐蝕或點(diǎn)蝕，使得涂層系統(tǒng)受到嚴(yán)重的腐蝕破壞，對飛機(jī)的飛行安全造成極大的威脅[7-9]。海上飛機(jī)長期處于濕度大、鹽堿重、溫度高的惡劣環(huán)境中，多孔的可磨耗封嚴(yán)涂層腐蝕問題亟待解決。

本研究運(yùn)用大氣等離子和真空等離子噴涂技術(shù)制備了Al/BN、TiAl/BN兩種復(fù)合涂層，希望通過在金屬相中引入耐腐蝕金屬材料鈦，形成鈦鋁合金以提高封嚴(yán)涂層材料的耐鹽霧腐蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

以TC4鈦合金為基體材料，使用中國科學(xué)院過程工程研究所生產(chǎn)的Al/BN、TiAl/BN復(fù)合粉體材料作為封嚴(yán)涂層體系的面層材料，95Ni5Al復(fù)合粉體作為粘結(jié)底層材料，通過大氣等離子噴涂技術(shù)制備了Al/BN涂層（中國科學(xué)院過程工程研究所），真空等離子噴涂技術(shù)制備了TiAl/BN涂層（中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所）。

1.2 鹽霧腐蝕試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125-1997 NSS進(jìn)行，NaCl溶液的濃度為50 g/L，pH值的范圍為6.5～7.2，鹽霧箱的內(nèi)部溫度為35±2℃，相對濕度為95%～98%，涂層試樣的基體及周邊用704硅橡膠進(jìn)行封裝后放入JST-60鹽霧箱中，鹽霧沉積速率為1～2 ml/h·80cm2。鹽霧腐蝕時間為960 h。

1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用三電極體系，以涂層試樣為工作電極，以鉑電極為輔助電極，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。研究電極與溶液接觸面積為1cm2，測試溶液為5%NaCl溶液，實(shí)驗(yàn)溫度為35±2℃。使用CHI660D電化學(xué)工作站，掃描速率為0.2mV/s。

1.4 性能測試

采用QUANTA 200 FEG 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對涂層組織進(jìn)行分析, 利用X＇Pert PRO X-ray diffraction (XRD) 射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物的物相進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉體及涂層表征

圖1為TiAl/BN及Al/BN復(fù)合粉體截面SEM形貌，如圖所示，復(fù)合粉體呈球形或近似球形，使得粉體具有較好的流動性，確保等離子噴涂過程中送粉的連續(xù)穩(wěn)定。金屬粉末連續(xù)完整的包覆在氮化硼核心的外層。氮化硼核心是由納米氮化硼粉體通過噴霧造粒工藝獲得，自身強(qiáng)度較低，細(xì)粉間的結(jié)合力較弱，通過金屬粉體的外層包覆，使得氮化硼避免受到噴涂氣流的直接沖刷，可以較好的沉積到涂層上。

圖1 復(fù)合粉體截面掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 1 Cross section SEM morphologies of the composite powders，（a）TiAl/BN；（b）Al/BN

圖2 涂層截面微觀形貌: (a) Al/BN, (b) TiAl/BN; (c)為圖(b)中標(biāo)記處的能譜分析Fig. 2 Cross section SEM morphologies of the assprayed coatings，（a）Al/BN；（b）TiAl/BN；（c）is the EDS analysis result of the marked site in Fig. 2 (b)

圖2是TiAl/BN和Al/BN涂層的微觀組織SEM分析，從圖2中可以看出，TiAl/BN涂層和Al/BN涂層都具有典型的可磨耗封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)特征。對于TiAl/BN涂層，金屬相連續(xù)、完整，可保證涂層具有較好的抗沖蝕性能和較高的結(jié)合強(qiáng)度；BN核心在噴涂過程中幾乎沒有被破壞，均勻的鑲嵌于金屬相中；同時一定的孔隙使得涂層具有適中的硬度。通過背散射及能譜進(jìn)一步分析TiAlBN涂層中的金屬相成分，發(fā)現(xiàn)涂層中金屬相元素分布較均勻，其元素主要為Ti和Al。

2.2 涂層的電化學(xué)測試結(jié)果

TiAl/BN和Al/BN兩種涂層在5%NaCl溶液中的開路電位隨時間變化如圖3所示。經(jīng)過180min測試，Al/BN涂層的開路電位約為-1050mV，TiAl/BN涂層的開路電位約為-600mV。Ti的添加與合金化使得涂層的開路電位有明顯的升高(提升約450mV)，涂層耐NaCl水溶液的腐蝕性能有了明顯的提高。在測試過程中，TiAl/BN涂層的開路電位隨著測試時間的變化產(chǎn)生輕微的振蕩，主要是由于涂層中存在一定的游離Al，在測試過程中與TiAl合金形成電偶對，發(fā)生了選擇性腐蝕。

涂層在5% NaCl溶液中的極化曲線如圖4所示。從圖中的陽極極化曲線可以發(fā)現(xiàn)，Al/BN涂層在-1050至-680mV之間，電流密度隨電位的增加呈拋物線性增加，當(dāng)電位高于-680mV時，電流密度隨電位增加呈線性急劇增大，涂層發(fā)生較為嚴(yán)重的腐蝕。TiAl/BN涂層在電位約-800mV處開始出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，涂層在5%NaCl溶液中有較寬的鈍化區(qū)間(約600mV)，過鈍電位約為-200mV。Ti的添加與合金化使得涂層在5%NaCl水溶液中發(fā)生明顯的鈍化，有效的提高了涂層的耐腐蝕性能。

圖3 TiAl/BN、Al/BN涂層在5%NaCl溶液中的開路電位隨時間的變化Fig. 3 Open circuit potential of the as-sprayed coatings of TiAl/BN and Al/BN in 5% NaCl solution

圖4 TiAl/BN、Al/BN涂層在5%NaCl溶液中的極化曲線Fig. 4 Potentiodynamic polarization curves of the assprayed coatings of TiAl/BN and Al/BN in 5% NaCl solution

2.3 涂層的鹽霧腐蝕結(jié)果

經(jīng)960h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后Al/BN涂層及TiAl/BN涂層的表面形貌如圖5所示。Al/BN涂層發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕，表面積累了大量的白色腐蝕產(chǎn)物。相比較，TiAl/BN涂層腐蝕程度較輕，表面出現(xiàn)了少量的腐蝕產(chǎn)物。收集TiAl/BN涂層的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過水洗、烘干后對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD物相分析(見圖6)。結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物的主要物相為Al(OH)3和AlO。說明涂層腐蝕主要為金屬相中Al的腐蝕。

圖5 Al/BN涂層及TiAl/BN涂層經(jīng)過960h鹽霧腐蝕后的表面形貌Fig. 5 Free surface of the Al/BN coating and TiAl/BN coating after 960 h salt spray tests

圖6 TiAl/BN涂層960h鹽霧腐蝕產(chǎn)物XRD測試圖譜Fig. 6 XRD pattern of the surface corrosion product of TiAl/BN coating

3 結(jié)論

（1）采用大氣等離子和真空等離子噴涂技術(shù)制備了Al/BN和TiAl/BN涂層，涂層具有典型的可磨耗封嚴(yán)涂層微觀結(jié)構(gòu)，非金屬相BN均勻的分散在金屬相中。

（2）電化學(xué)研究表明，Ti的添加和合金化使得涂層的腐蝕電位顯著升高，同時TiAl/BN涂層在極化曲線測試過程中發(fā)生了明顯鈍化，使得涂層具有更強(qiáng)的耐腐蝕性能。

（3）經(jīng)過960小時鹽霧實(shí)驗(yàn)后Al/BN發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，而TiAl/BN涂層表面只發(fā)生了輕微的腐蝕；XRD分析表明TiAl/BN涂層的腐蝕產(chǎn)物主要為Al(OH)3和AlO。