鈦合金表面玻璃基涂層的制備與高溫性能研究.pdf

1、鈦合金因具有比強(qiáng)度高和耐蝕性好等特性在航空、航天、船舶、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在較高的溫度下，鈦合金較差的抗氧化性能限制了其應(yīng)用范圍。玻璃基材料作為一種性能優(yōu)異的涂層材料可以提高鈦合金高溫長時間使用過程中的抗氧化性能，延長其使用壽命。同時，玻璃基涂層也廣泛應(yīng)用于鈦合金的熱加工領(lǐng)域，尤其對于鈦合金的鍛造加工來說，玻璃防護(hù)潤滑涂層的使用是必不可少的，因為它既可作為鍛造過程中的高溫防護(hù)涂層，又能在鍛造工藝中起到潤滑作用。基于上述原因，本

2、文依據(jù)涂層設(shè)計原則在鈦合金表面制備了不同種類的玻璃基涂層，主要包括鈦合金高溫長時間使用的玻璃基復(fù)合涂層、微晶玻璃涂層以及一種鈦合金鍛造用的玻璃防護(hù)潤滑涂層，同時研究了上述涂層的高溫性能。主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　?。?）通過向硼硅酸鹽玻璃中添加非晶二氧化硅，在Ti-6Al-4V合金表面制備了玻璃-非晶二氧化硅復(fù)合涂層。通過熱力學(xué)討論與熱膨脹系數(shù)的計算，確定了復(fù)合涂層中硼硅酸鹽玻璃的主要組分，通過預(yù)燒實驗得出了復(fù)合涂層中非晶二氧

3、化硅的合適添加量。等溫氧化實驗（800℃，50h）結(jié)果表明復(fù)合涂層較好地改善了Ti-6Al-4V合金的高溫抗氧化性能。玻璃-非晶二氧化硅復(fù)合涂層在800℃下氧化50h后依然與基體保持良好的結(jié)合。在氧化過程中，復(fù)合涂層中的非晶二氧化硅逐漸向石英和方石英轉(zhuǎn)變，同時涂層中還有透輝石晶體的析出，并且隨著氧化時間的延長，透輝石晶體數(shù)量逐漸變多。
　?。?）通過向硼硅酸鹽玻璃中添加石英粉和鋁粉，在Ti-6Al-4V合金表面分別制備了玻璃-石英

4、和玻璃-石英-鋁兩種玻璃基復(fù)合涂層。等溫氧化實驗（800℃，100h）結(jié)果表明上述兩種玻璃基復(fù)合涂層都較好地改善了Ti-6Al-4V合金的高溫抗氧化性能。在800℃下氧化100h后，玻璃-石英復(fù)合涂層中生成了大量的透輝石晶體，殘余玻璃含量較少，同時涂層表面能看到部分開口氣孔；而玻璃-石英-鋁復(fù)合涂層中透輝石晶體含量明顯變少，殘余玻璃含量較多，同時涂層表面完整，看不到表面氣孔的存在。兩種涂層不同的高溫氧化行為表明鋁的加入，明顯減緩了玻璃-

5、石英-鋁復(fù)合涂層中透輝石的成核和生長速率。同時表明玻璃-石英復(fù)合涂層中部分開口氣孔的存在與涂層中透輝石的大量生成有密切聯(lián)系。相對于玻璃-石英復(fù)合涂層來說，玻璃-石英-鋁復(fù)合涂層更適合作為Ti-6Al-4V合金高溫長時間使用的抗氧化涂層。
　　（3）通過燒結(jié)法在工業(yè)純鈦表面成功制備了 Na2O-CaO-SiO2和Na2O-CaO-Al2O3-SiO2兩種微晶玻璃涂層。相對于 Na2O-CaO-SiO2微晶玻璃涂層，Na2O-CaO-

6、Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層燒結(jié)得更為致密，與基體的結(jié)合力也更好。等溫氧化實驗（800℃，100h）結(jié)果表明上述兩種微晶玻璃涂層都較好地改善了工業(yè)純鈦的高溫抗氧化性能。在800℃下氧化100h后，Na2O-CaO-SiO2微晶玻璃涂層與基體的結(jié)合力得到提升，同時由于微晶玻璃涂層中的SiO2與基體Ti發(fā)生反應(yīng)，在涂層與工業(yè)純鈦基體之間形成了一層 Ti5Si3界面層。氧化后的Na2O-CaO-Al2O3-SiO2微晶玻璃涂層與工業(yè)純鈦基

7、體之間也形成了一層Ti5Si3界面層，同時涂層中的Al通過Ti5Si3界面層擴(kuò)散進(jìn)入了基體。
　?。?）研制了一種Ti-6Al-4V合金鍛造用的玻璃防護(hù)潤滑涂層。涂層組分中不含任何有毒成分，環(huán)保無污染。涂層中玻璃是由兩種玻璃組分按一定比例構(gòu)成的復(fù)合玻璃，從而拓寬了涂層的作用溫度范圍。復(fù)合玻璃在700℃時已經(jīng)開始軟化，800℃時已經(jīng)完全熔融。潤濕角的測量結(jié)果表明復(fù)合玻璃在Ti-6Al-4V合金的鍛造溫度（800~950℃）范圍內(nèi)能夠

8、很好的潤濕鈦合金基體，并且隨著溫度的升高，復(fù)合玻璃熔體的表面張力逐漸變小，對鈦合金基體的潤濕性能逐步提高。涂層的防護(hù)性能測試結(jié)果表明本文研制的玻璃防護(hù)潤滑涂層能夠很好地抑制Ti-6Al-4V合金的高溫氧化。圓環(huán)鐓粗實驗結(jié)果表明玻璃涂層起到了較好的潤滑效果，摩擦系數(shù)較無涂層試樣減少了將近一半。鍛造實驗結(jié)果顯示在有玻璃涂層存在的情況下，鍛造后的模具表面光滑，看不到鈦合金的氧化物碎屑，鍛件表面也非常光滑，且易于脫模，表明本文研制的玻璃防護(hù)潤滑