鈦合金表面玻璃基涂層的制備與高溫性能研究.pdf

1、鈦合金因具有比強度高和耐蝕性好等特性在航空、航天、船舶、醫(yī)療等領域得到了廣泛應用，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用于鈦合金的熱加工領域，尤其對于鈦合金的鍛造加工來說，玻璃防護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涂層，又能在鍛造工藝中起到潤滑作用?；谏鲜鲈颍?/p>

2、文依據(jù)涂層設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合涂層、微晶玻璃涂層以及一種鈦合金鍛造用的玻璃防護潤滑涂層，同時研究了上述涂層的高溫性能。主要內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-非晶二氧化硅復合涂層。通過熱力學討論與熱膨脹系數(shù)的計算，確定了復合涂層中硼硅酸鹽玻璃的主要組分，通過預燒實驗得出了復合涂層中非晶二氧

3、化硅的合適添加量。等溫氧化實驗（800℃，50h）結果表明復合涂層較好地改善了Ti-6Al-4V合金的高溫抗氧化性能。玻璃-非晶二氧化硅復合涂層在800℃下氧化50h后依然與基體保持良好的結合。在氧化過程中，復合涂層中的非晶二氧化硅逐漸向石英和方石英轉變，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-鋁兩種玻璃基復合涂層。等溫氧化實驗（800℃，100h）結果表明上述兩種玻璃基復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-鋁復合涂層中透輝石的成核和生長速率。同時表明玻璃-石英復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-石英復合涂層來說，玻璃-石英-鋁復合涂層更適合作為Ti-6Al-4V合金高溫長時間使用的抗氧化涂層。
　?。?）通過燒結法在工業(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微晶玻璃涂層燒結得更為致密，與基體的結合力也更好。等溫氧化實驗（800℃，100h）結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，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界面層擴散進入了基體。
　?。?）研制了一種Ti-6Al-4V合金鍛造用的玻璃防護潤滑涂層。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成的復合玻璃，從而拓寬了涂層的作用溫度范圍。復合玻璃在700℃時已經開始軟化，800℃時已經完全熔融。潤濕角的測量結果表明復合玻璃在Ti-6Al-4V合金的鍛造溫度（800~950℃）范圍內能夠

8、很好的潤濕鈦合金基體，并且隨著溫度的升高，復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。涂層的防護性能測試結果表明本文研制的玻璃防護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潤滑