一種阻燃隔熱復(fù)合功能涂層性能研究

汪瑞軍，鮑曼雨，馬小斌

(1.北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，在航空、航天等高端裝備中獲得廣泛應(yīng)用。近年，為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比、效率以及有效載荷，鈦合金應(yīng)用技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與研制中得到極大重視。 但在一定條件下鈦合金存在起火燃燒的“鈦火”問(wèn)題，其燃燒的范極大，危害之嚴(yán)重是始料未及的，有時(shí)甚至造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣燒穿?！扳伝稹眴?wèn)題已成為工程應(yīng)用研究的重要方向[1]。

目前解決“鈦火”問(wèn)題主要有三種方法：1）更改結(jié)構(gòu)或更換材料，即增加鈦合金葉片葉尖和靜子之間的間隙，或使用合金鋼替代鈦合金；2）采用阻燃鈦合金，即增加一元或多元組分，制造具有阻燃性能的鈦合金；3）在Ti合金表面制備阻燃涂層。國(guó)外在阻燃涂層方面的研究工作起步較早。美國(guó)NASA開(kāi)展了包括12種阻燃涂層材料的研究工作，其中離子蒸發(fā)沉積鋁和電鍍Pt-Cu-Ni涂層具有較好的阻燃性能且對(duì)Ti合金的疲勞壽命沒(méi)有影響；德國(guó)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司（MTU Aero Engines GmbH）開(kāi)發(fā)出具有雙層結(jié)構(gòu)的阻燃、封嚴(yán)復(fù)合功能涂層，具有包括“鈦火”防護(hù)層和封嚴(yán)層功能的這種涂層可應(yīng)用于壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣，其中葉片頂部即葉尖部位噴涂立方氮化硼涂層，機(jī)匣上根據(jù)要求噴涂不同致密程度（即具有不同孔隙）的氧化鋯涂層。MTU認(rèn)為該涂層體系可以有效解決高性能?chē)姎馐斤w機(jī)的阻燃、密封等問(wèn)題。我國(guó)在Ti合金阻燃涂層方面開(kāi)展工作較晚，其中北京礦冶研究總院、中航西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司等單位研制的阻燃熱噴涂涂層取得一定效果。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院采用微弧脈沖離子表面改性技術(shù)制備出的阻燃改性層，可以提升鈦合金“Ti火”二次燃燒溫度點(diǎn)[2-5]。

本文研究了高頻脈沖微弧強(qiáng)化工藝制備的非晶阻燃層為粘結(jié)層，在其表面制備隔熱涂層的復(fù)合功能涂層性能，重點(diǎn)研究了該復(fù)合功能涂層結(jié)合強(qiáng)度與阻燃、隔熱性能，以期掌握一種兼具阻燃與隔熱復(fù)合功能涂層的制備方法。

1 試驗(yàn)材料與制備方法

1.1 材料

Ti合金基體材料采用TC11，表1是TC11合金的力學(xué)性能；采用規(guī)格為Ф6×100mm的Ti40Zr25Ni3非晶材料作為阻燃層電極材料，表2是該材料的主要力學(xué)性能；采用ZrO2·Y2O3粉末材料作為隔熱涂層材料。

表1 TC11合金的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties for TC11 alloy

表2 Ti40Zr25Ni3非晶材料的主要力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties for Ti40Zr25Ni3

涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試選用規(guī)格為Ф25.4×6mm的Ti合金圓形試片，Ф30×3mm的圓形試片用于隔熱性能測(cè)試，規(guī)格為125mm×27mm×2mm的試片用阻燃性能測(cè)試。

1.2 阻燃層與隔熱層的制備方法

采用高頻脈沖微弧強(qiáng)化工藝在Ti合金表面制備Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃層。高頻脈沖微弧強(qiáng)化工藝是一種瞬間高頻釋放存儲(chǔ)在電源中的高能量電能，在電極材料與基體材料間形成電離通道，使母材表面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓微區(qū)，同時(shí)離子態(tài)的電極材料在微電場(chǎng)的作用下熔滲到母材基體中并形成微冶金強(qiáng)化層。表3是制備工藝參數(shù)，表4是高能等離子噴涂隔熱涂層的工藝參數(shù)。

表3 非晶合金阻燃層制備工藝參數(shù)Table 3 Process parameters for fabricating burn-resistant layer of amorphous alloys

表4 高能等離子噴涂制備隔熱涂層工藝參數(shù)Table 4 Process parameters for fabricating thermal barrier layer by high-energy plasma spraying

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合功能涂層的截面形貌

圖1是Ti合金表面制備Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃層的宏觀形貌，無(wú)可見(jiàn)裂紋、夾渣等缺陷，厚度約37um左右。采用能譜分析方法對(duì)阻燃層與基體TC11材料的界面分析可知，阻燃層中主要Zr、Ti元素；基體中的Ti、Al元素有由基體向阻燃層擴(kuò)散，阻燃層中Zr、Cu等元素則由阻燃層表面向基體擴(kuò)散，如圖2所示，表明界面處發(fā)生了元素間的相互擴(kuò)散，即阻燃改性層/基體間存在熔滲擴(kuò)散區(qū)，這與早期的研究結(jié)果是一致的[7]，即阻燃改性層與基體間的界面存在微冶金結(jié)合。

圖1 TC11合金表面制備阻燃/粘結(jié)層Fig.1 Burn-resistant /bonding layer on TC11 alloy

圖3是采用X射線衍射方法對(duì)阻燃層的相結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，可見(jiàn)只包含有一個(gè)寬漫散射峰和一個(gè)弱次強(qiáng)漫散射峰，這是典型的非晶相組成特征。圖4是采用高能等離子在阻燃層表面制備隔熱涂層的宏觀形貌，可見(jiàn)Ti合金基體/阻燃間的界面清晰，無(wú)肉眼可見(jiàn)的氣孔、污染物等缺陷，隔熱涂層為典型的層狀微觀結(jié)構(gòu)，孔隙率為15%。

圖2 阻燃/粘結(jié)層與基體界面間元素?cái)U(kuò)散分析Fig.2 Analysis of elements diffusion of interface between burn-resistant/bonding layer and the substrate

圖3 阻燃XRD相結(jié)構(gòu)分析Fig.3 XRD analysis for burn-resistant/bonding coating

2.2 結(jié)合強(qiáng)度與隔熱性能

依據(jù)涂層結(jié)合強(qiáng)度的試驗(yàn)方法（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：HB5476-91）測(cè)試了復(fù)合功能涂層的結(jié)合強(qiáng)度，拉伸速度為2mm/min，測(cè)試結(jié)果為平均結(jié)合強(qiáng)度36.3MPa，表5是測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖4 TC11表面阻燃/隔熱復(fù)合功能涂層形貌Fig.4 Morphology for burn-resistant/bonding coatings and thermal barrier coatings on TC11 alloy

表5 復(fù)合功能涂層的結(jié)合強(qiáng)度Table 5 Bonding strength of functional composite coatings

復(fù)合功能涂層的隔熱性能是采用比對(duì)法，通過(guò)計(jì)算有涂層與無(wú)涂層試樣兩側(cè)溫度算數(shù)平均值的差值獲得的。測(cè)試過(guò)程為：采用氧燃?xì)饣鹧婕訜嵩嚇佑型繉右粋?cè)，同時(shí)對(duì)試樣無(wú)涂層一側(cè)通入室溫冷卻氣體；采用雙比色紅外測(cè)溫儀與K型熱電偶分別實(shí)時(shí)記錄兩側(cè)溫度并繪出溫度曲線；當(dāng)涂層一側(cè)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，保持溫度15min后停止加熱，試樣冷卻至室溫，得到兩側(cè)溫度算數(shù)平均值差值△T1，試驗(yàn)結(jié)束；同上述方法，對(duì)同樣規(guī)格且沒(méi)有制備涂層的試樣進(jìn)行測(cè)試，得到兩側(cè)溫度算數(shù)平均值差值△T2；△T1與△T2的差值即為復(fù)合功能涂層的隔熱溫度。

圖5是帶涂層試樣測(cè)試過(guò)程的實(shí)時(shí)記錄結(jié)果，可見(jiàn)正面當(dāng)火焰溫度為600℃時(shí)，復(fù)合功能涂層的平均隔熱溫度達(dá)到了70.67℃。

2.3 阻燃性能

圖5 隔熱溫度測(cè)試實(shí)時(shí)記錄結(jié)果Fig.5 Experimental results of heat insulting temperature tests

鈦合金具有α結(jié)構(gòu)，表面會(huì)形成致密的具有保護(hù)作用的氧化物，在高溫高壓的環(huán)境中，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣陆Y(jié)構(gòu)，提高了氧在鈦中的溶解度。此時(shí)，氧化物中氧的平衡濃度降低，促使TiO2發(fā)生還原反應(yīng)，生成低氧化物Ti3O5，由于氧化層密度的改變會(huì)導(dǎo)致氧化物的剝落[6,7]，大量氧加速進(jìn)入反應(yīng)前沿并與Ti金屬發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)釋放出的熱量超過(guò)散失的熱量時(shí)，溫度快速升高并達(dá)到點(diǎn)燃溫度時(shí)發(fā)生燃燒，這是鈦燃燒的基本機(jī)理。

本研究依據(jù)鈦合金臨界燃燒經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值，采用 “鈦火”液滴燃燒法對(duì)復(fù)合功能涂層的阻燃性能進(jìn)行測(cè)試。圖6是未制備阻燃、隔熱復(fù)合功能涂層的鈦合金試樣，可見(jiàn)，在350℃環(huán)境下即發(fā)生燃燒現(xiàn)象。圖7是制備有阻燃、隔熱復(fù)合功能涂層鈦合金試樣的阻燃試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)在750℃條件下復(fù)合功能涂層仍然具有良好的阻燃能力。

圖6 無(wú)復(fù)合功能涂層試片燃燒試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Burn results of specimen without coatings

圖7 有復(fù)合功能涂層試片阻燃效果Fig.7 Burn results of specimen with coatings

分析認(rèn)為，“鈦火”產(chǎn)生的必要條件之一是有足夠的氧參與，采用微弧高頻離子表面改性技術(shù)制備的阻燃涂層具有致密，高溫狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生破裂、鼓泡等缺陷，阻斷氧與鈦合金的充分接觸條件。另外，阻燃改性層中含有元素Cu，可以降低金屬對(duì)氧吸附的作用。另外復(fù)合功能涂層在服役過(guò)程中，涂層中Ti、Cu元素會(huì)形成Ti-Cu共晶合金，在基體與二次飛濺熔滴間的界面上會(huì)形成銅含量高出2-4倍的富Cu阻隔層，有效抑制了鈦合金的氧化過(guò)程，起到阻燃作用。

3 結(jié)論

本文采用微弧脈沖離子表面改性技術(shù)與高能等離子噴涂工藝制備了具有阻燃特性的Ti40Zr25Ni3非晶材料層和具有隔熱特性的YSZ隔熱一體化復(fù)合功能涂層，重點(diǎn)研究了該復(fù)合功能涂層的隔熱能力、阻燃特性以及結(jié)合強(qiáng)度等關(guān)鍵性能。

（1）研究表明，采用微弧脈沖離子表面改性技術(shù)與高能等離子噴涂工藝制備的Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃層與YSZ隔熱復(fù)合功能涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度，平均結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到36.3MPa。

（2）阻燃改性層與基體間的界面存在微冶金結(jié)合的特征大大提高了涂層使用的可靠性。

（3）當(dāng)正面火焰溫度為達(dá)到600℃時(shí)，制備有復(fù)合功能涂層試樣平均隔熱溫度達(dá)到了70℃。

（4）無(wú)復(fù)合功能涂層的試樣在350℃條件下即發(fā)生燃燒現(xiàn)象，而制備有阻燃、隔熱復(fù)合功能涂層試樣在750℃條件下仍然具有良好的阻燃能力。