纯钛表面渗铝层的组织与性能研究

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1、沈阳工业大学硕士学位论文纯钛表面渗铝层的组织与性能研究StudyonMicrostructureandPerformanceofAluminizedCoatingsonPureTitanium作者：宫雪单位：材料科学与工程指导教师：张忠礼教授单位：沈阳工业大学协助指导教师：单位：单位：论文答辩日期：2015年1月11日学位授予单位：沈阳工业大学摘要钛及其合金因耐蚀性好、比强度高等优点被广泛地应用于航空航天、石油化工等工业领域。但当它们的使用温度超过600℃时，钛及其合金的表面氧化是不得不面对的难题。金属材料表面形成的氧化膜决定了其抗氧化性能的优劣。铝是亲氧性最好的元素，它在高温下反应生成稳

2、定的Al2O3，对金属基体具有优良的保护作用，因此铝是高温抗氧化涂层的首选元素。本文采用电弧喷涂的方法在纯钛基体表面制备铝涂层，以提高基体的高温抗氧化性能。为了延长铝涂层的使用寿命，还在铝涂层下面分别制备了NiCrAlY和Ni95Al5涂层作扩散阻挡层。对单一铝涂层试件和二种加扩散阻挡层试件分别做了700℃、800℃及900℃下64h和100h的连续氧化试验。借助于光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及X射线衍射（XRD）等仪器设备分析了加热后试件的微观组织变化、Al元素的扩散规律以及渗铝层的形成机制。通过对加热温度、加热时间、涂层厚度以及封孔方式等工艺参数的调整，研究了它们对渗

3、铝层深度变化的影响。实验结果表明，在温度高于700℃的环境中，电弧喷涂的铝涂层可以对纯钛基体提供有效的高温防护，显著地提高了其高温抗氧化性能。高温条件下，涂层中的Al元素和基体中的Ti元素相互扩散形成渗铝层。渗铝层中的主要组成相是TiAl3，该富铝相可以提供足够的Al原子来与O原子结合生成Al2O3。Al2O3的形成不但在涂层表面建立了连续的保护膜，还部分地封闭了涂层中的孔隙，从而减缓氧化速度。与单一铝涂层试件对比，带有NiCrAlY或Ni95Al5扩散阻挡层的试件中Al、Ti元素的互扩散被有效地抑制了，延长了铝涂层的使用寿命。渗铝层的深度与加热温度、加热时间、涂层厚度以及封孔方式有关。铝

4、涂层厚度的增大、加热时间的延长或加热温度的升高都可扩大扩散层的深度，但扩散层中铝的浓度相应降低。高温下，无论哪种封孔处理都有利于渗铝层的形成，其中涂抹水玻璃的封孔方式还会在铝涂层表面形成新“涂层”，有效地提高涂层的抗氧化性能。关键词：高温氧化，电弧喷涂，铝涂层，纯钛IAbstractDuetoitsgoodcorrosionresistanceandhighspecificstrength,titaniumanditsalloyshavebeenwidelyappliedinaerospaceandpetrochemicalfield.However,oxidationisabigprob

5、lemthathastobesolvedwhentitaniumanditsalloysareappliedattemperatureshigherthan600°C.Inpractice,theoxidationresistanceofmetalsisdeterminedbytheformingabilityofoxidefilmsthatformedonthemetallicsurface.Asso,aluminumwasfirstselectedasthehightemperatureoxidationresistantcoatingbecauseofitsbestoxophilic

6、nature,whichhadledtoastableAl2O3filmunderhightemperaturereactionandcontributetoagoodprotectiononthemetalmatrix.ThepresentworkemployedarcsprayingmethodtoproducealuminumcoatingonapureTisubstrate,andwasaimedtoimprovethehightemperatureoxidationresistanceabilityofthepuretitaniumsubstrate.Inordertoexten

7、dtheworkinglifeofaluminumcoatings,NiCrAlandNi95Al5coatingswerealsosprayedasadiffusionbarriertoprolongthealuminumcoating’slifespan,separately.Continuousoxidationexperimentswereoperatedonthespecimensofaluminumsingl