论文摘要
TiAl基合金密度低，比强度和比刚度高，是航空、航天飞行器理想的新型高温结构材料。其室温塑性差已通过添加合金元素和调控显微组织等手段基本得到解决，进一步提高其高温抗氧化性能已成为需要重点研究和解决的问题之一。本文分别采用固体粉末渗硅法和溶胶-凝胶旋涂硅膜法在TiAl合金表面获得复合渗层和复合涂层，并分别在900℃高温静态空气中进行循环氧化试验。此外，对渗硅复合层进行强气流冲击条件下循环氧化试验。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和能谱XEDS等分析方法，分别对渗层和涂层的组织结构特征、形成机理及抗氧化性能进行研究。研究结果表明：在真空条件下，将TiAl试样包埋于15％Si+85％Al2O3固体粉末中加热到1250℃保温2h渗硅后，TiAl表面获得Ti5Si3+Al2O3复合渗层。其中Al2O3层居外侧，厚约1μm；Ti5Si3层居内侧，厚度为约7～8μm，其中分布有Al2O3颗粒。Ti5Si3+Al2O3复合渗层明显提高了TiAl基合金900℃下的抗高温循环氧化性能。其中渗硅复合层在900℃静态空气中氧化240h增重约为0.44mg／cm2，在强气流作用下氧化增重约为0.55mg／cm2。在强气流条件下，经长时间高温循环氧化后，Ti5Si3层发生微量分解并在表面生成TiO2和SiO2。采用旋涂法对TiAl试样进行二次涂膜后，将其包埋于活性碳粉中缓慢加热至1000℃保温6h热处理后，TiAl表面获得SiO2+Al2O3+TixSiy（Ti5Si3、Ti5Si4、TiSi2）复合涂层。其中SiO2层较薄，居表面；Al2O3层居于SiO2层与TixSiy层之间，厚约1～2μm。涂膜复合层在900℃静态空气中氧化300h增重约为0.54mg／cm2。长时间循环氧化后，大部分区域无明显变化，部分区域有TiO2生成。复合层具有优异的抗高温氧化性能的主要原因有：（1）构成复合层的各层均为抗氧化性能优异的物相构成。无论是Al2O3、SiO2氧化物，还是Ti5Si3、Ti5Si4等钛硅化合物，均具有优异的抗氧化性能。（2）复合层为结构合理的梯度层。复合渗层从表及里为Al2O3层→Ti5Si3层→富Al层，复合涂层从表及里为SiO2层→Al-2O3层→TixSiy层→富Ti层，分别与TiAl基体的热膨胀系数呈梯度分布，避免了因复合层与基体因膨胀系数相差太大而导致复合层过早剥落而失效。（3）复合层内部各层之间及复合层与基体之间结合强度高。复合层为渗剂元素与基体元素之间或涂层元素与基体元素之间通过扩散形成，层与层和层与基体之间结合强度高。循环氧化过程中产生的应力不会造成复合层的过早剥落，从而延长氧化失效时间。