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械有限公司 2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

鈦合金具有比強度高等優(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)動機的推重比、效率以及有效載荷，鈦合金應(yīng)用技術(shù)在航空發(fā)動機關(guān)鍵部件設(shè)計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”問題，其燃燒的范極大，危害之嚴重是始料未及的，有時甚至造成航空發(fā)動機機匣燒穿。“鈦火”問題已成為工程應(yīng)用研究的重要方向[1]。

目前解決“鈦火”問題主要有三種方法：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。國外在阻燃涂層方面的研究工作起步較早。美國NASA開展了包括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Ti合金的疲勞壽命沒有影響；德國MTU航空發(fā)動機公司（MTU Aero Engines GmbH）開發(fā)出具有雙層結(jié)構(gòu)的阻燃、封嚴復(fù)合功能涂層，具有包括“鈦火”防護層和封嚴層功能的這種涂層可應(yīng)用于壓氣機葉片和機匣，其中葉片頂部即葉尖部位噴涂立方氮化硼涂層，機匣上根據(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認為該涂層體系可以有效解決高性能噴氣式飛機的阻燃、密封等問題。我國在Ti合金阻燃涂層方面開展工作較晚，其中北京礦冶研究總院、中航西安航空發(fā)動機有限公司等單位研制的阻燃熱噴涂涂層取得一定效果。中國農(nóng)業(yè)機械化科學(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[2-5]。

本文研究了高頻脈沖微弧強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，重點研究了該復(fù)合功能涂層結(jié)合強度與阻燃、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)合強度測試選用規(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試，規(guī)格為125mm×27mm×2mm的試片用阻燃性能測試。

1.2 阻燃層與隔熱層的制備方法

采用高頻脈沖微弧強化工藝在Ti合金表面制備Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃層。高頻脈沖微弧強化工藝是一種瞬間高頻釋放存儲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)，同時離子態(tài)的電極材料在微電場的作用下熔滲到母材基體中并形成微冶金強化層。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，無可見裂紋、夾渣等缺陷，厚度約37um左右。采用能譜分析方法對阻燃層與基體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散，阻燃層中Zr、Cu等元素則由阻燃層表面向基體擴散，如圖2所示，表明界面處發(fā)生了元素間的相互擴散，即阻燃改性層/基體間存在熔滲擴散區(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射線衍射方法對阻燃層的相結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，可見只包含有一個寬漫散射峰和一個弱次強漫散射峰，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Ti合金基體/阻燃間的界面清晰，無肉眼可見的氣孔、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擴散分析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)合強度與隔熱性能

依據(jù)涂層結(jié)合強度的試驗方法（標準號：HB5476-91）測試了復(fù)合功能涂層的結(jié)合強度，拉伸速度為2mm/min，測試結(jié)果為平均結(jié)合強度36.3MPa，表5是測試數(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法，通過計算有涂層與無涂層試樣兩側(cè)溫度算數(shù)平均值的差值獲得的。測試過程為：采用氧燃氣火焰加熱試樣有涂層一側(cè)，同時對試樣無涂層一側(cè)通入室溫冷卻氣體；采用雙比色紅外測溫儀與K型熱電偶分別實時記錄兩側(cè)溫度并繪出溫度曲線；當涂層一側(cè)達到預(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，試驗結(jié)束；同上述方法，對同樣規(guī)格且沒有制備涂層的試樣進行測試，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是帶涂層試樣測試過程的實時記錄結(jié)果，可見正面當火焰溫度為600℃時，復(fù)合功能涂層的平均隔熱溫度達到了70.67℃。

2.3 阻燃性能

圖5 隔熱溫度測試實時記錄結(jié)果Fig.5 Experimental results of heat insulting temperature tests

鈦合金具有α結(jié)構(gòu)，表面會形成致密的具有保護作用的氧化物，在高溫高壓的環(huán)境中，會轉(zhuǎn)變?yōu)棣陆Y(jié)構(gòu)，提高了氧在鈦中的溶解度。此時，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導(dǎo)致氧化物的剝落[6,7]，大量氧加速進入反應(yīng)前沿并與Ti金屬發(fā)生反應(yīng)，當釋放出的熱量超過散失的熱量時，溫度快速升高并達到點燃溫度時發(fā)生燃燒，這是鈦燃燒的基本機理。

本研究依據(jù)鈦合金臨界燃燒經(jīng)驗參數(shù)值，采用 “鈦火”液滴燃燒法對復(fù)合功能涂層的阻燃性能進行測試。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，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結(jié)果，可見在750℃條件下復(fù)合功能涂層仍然具有良好的阻燃能力。

圖6 無復(fù)合功能涂層試片燃燒試驗結(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，可以降低金屬對氧吸附的作用。另外復(fù)合功能涂層在服役過程中，涂層中Ti、Cu元素會形成Ti-Cu共晶合金，在基體與二次飛濺熔滴間的界面上會形成銅含量高出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)合強度，平均結(jié)合強度達到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）當正面火焰溫度為達到600℃時，制備有復(fù)合功能涂層試樣平均隔熱溫度達到了70℃。

（4）無復(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。