钛合金表面纳米热障涂层的制备与组织性能及其表面激光重熔的研究

论文摘要

钛合金是重要的结构材料和功能材料,具有低密度、高比强度、较宽的工作温度范围和优异的耐腐蚀性能等特性。受高温氧化的影响,钛合金最高使用温度范围只有600℃左右。热障涂层是先进的高温防护涂层,在航空航天、轮船、能源等领域有着广泛的研究与应用背景。在钛合金表面制备热障涂层,不仅可以使零件轻型化,而且可以通过热障涂层的有效隔热和抗氧化保护,在高温下阻止钛合金表面的氧化和氧、氮元素向钛合金内部的扩散,从而提高钛合金抗氧化能力,阻挡高温侵袭,显著提高钛合金短期的使用温度和组织稳定性。本论文从这一角度出发,针对钛合金表面纳米热障涂层的制备和组织性能进行了系统的实验研究与分析,并以常规热障涂层为参照进行了对比。对等离子喷涂后纳米热障涂层系统的微观组织与性能、钛合金表面纳米热障涂层的隔热效果,热震失效形式与机制,残余应力分布以及激光重熔技术对纳米陶瓷层的影响等方面进行了深入的研究与分析。采用大气等离子喷涂技术在TC11钛合金表面制备了纳米热障涂层,并对其微观组织和性能进行了表征。研究表明:等离子喷涂后,TC11钛合金内部组织没有产生明显变化。基体/粘结层/陶瓷层之间主要以机械物理形式结合。与常规陶瓷层相比,纳米陶瓷层的层片较薄,层片间结合紧密。纳米陶瓷层中的纳米结构来自未熔的纳米喷涂粉末以及熔融颗粒快速冷却重结晶析出的纳米柱状晶。纳米和常规陶瓷层均表现出双态孔隙大小分布,纳米陶瓷层的孔隙率较低,并且孔隙更加细小,分布均匀。力学性能上,等离子喷涂陶瓷层表现出明显的各向异性,截面显微硬度平均值高于表面;纳米陶瓷层的显微硬度高于常规陶瓷层,两者截面的Weibull分布均呈现双态分布,纳米陶瓷层中显微硬度的分散性低于常规陶瓷层。钛合金表面纳米热障涂层结合强度高于常规涂层。粘结层与钛合金基体的结合强度好于陶瓷层与粘结层之间的结合。对等离子喷涂纳米陶瓷层的热物理性能和隔热效果进行了测试与分析。常规陶瓷层的热膨胀系数约为10.4×10-6 K-1;纳米陶瓷层的热膨胀系数约为11.3×10-6 K-1,提高了约9%。纳米陶瓷层的导热系数低于常规陶瓷层。两者导热系数均随着温度的上升,略有升高。隔热实验表明:各试样均在约180 s达到了稳定热流状态;纳米涂层试样表现出良好的隔热性能,其最大的隔热效果达到了约130℃;而常规涂层试样的最大隔热效果不到80℃。隔热效果与陶瓷层厚度基本呈线性比例增长关系。基于力平衡、弯矩平衡和梁的弯曲理论,采用逐层模式对钛合金表面等离子喷涂后的热障涂层系统残余应力进行了分析,并与实际测试结果相比较。综合考虑淬火效应与热物理性能失配导致残余应力的计算结果更接近测试值。热失配产生的压应力在陶瓷层残余应力中占优势地位;而淬火拉应力则由于陶瓷层中微裂纹的产生得到了有效的释放。相对于常规陶瓷层,纳米陶瓷层具有更低的残余压应力;陶瓷涂层表面的残余压应力绝对值随着厚度的减薄而增加。分析了钛合金表面纳米热障涂层的热震失效形式与机制。钛合金表面纳米热障涂层的失效以陶瓷层表面出现剥落或大块凸起为特征,薄弱环节存在于粘结层与陶瓷层界面。随着热震循环的进行,在粘结层界面的钛合金基体也会因热膨胀系数失配而形成孔洞等缺陷,降低了界面强度。纳米涂层试样的抗热震性优于常规涂层试样。热震循环过程中,因热膨胀系数失配首先在陶瓷层/粘结层界面形成垂直界面的内部微裂纹。随着热震的进行,垂直裂纹不断扩展,粘结层的波动振幅逐渐加剧,在陶瓷层/粘结层界面附近形成水平微裂纹。陶瓷层内靠近粘结层界面的水平微裂纹扩展与合并,并沿着平行于陶瓷层/粘结层界面在陶瓷层中传播,最终导致了陶瓷层的剥落失效。随着热震温度的升高,常规和纳米涂层试样的热震循环次数显著减少;不同热震温度下,纳米涂层试样的热震循环次数始终高于常规涂层试样;钛合金表面热障涂层的热震寿命与陶瓷层厚度呈负向变化。热震后,钛合金基体与粘结层界面形成扩散反应层。扩散层主要由Ti和Ni元素组成。由于Ni、Ti元素的扩散与反应,从与钛合金基体的接触界面开始,扩散层中依次生成了Ti2Ni,TiNi,AlNi2Ti和Ni3（Al,Ti）等新相。对等离子喷涂纳米陶瓷层表面进行了激光重熔以及激光重熔试样的抗热震性能研究。研究表明:激光重熔后,陶瓷层表面形成网状微裂纹与凹坑,表面粗糙度明显下降。随着激光扫描速度的减小,陶瓷层的网状微裂纹分布逐渐稀疏,龟裂程度逐渐变大,表面凹坑呈增加和增大的趋势,表面粗糙度上升。激光重熔区域中心处熔深随着激光平均能量的增加而近似线性比例增加,熔宽也随着激光平均能量的增加而增加,在相同工艺条件下,纳米陶瓷层的熔深和熔宽始终大于常规陶瓷层。陶瓷层重熔区形成致密的柱状晶组织,消除了等离子喷涂层中常见的孔隙、未熔颗粒等缺陷。与常规陶瓷层比较,纳米陶瓷层中柱状晶粒直径稍大。激光工艺参数对重熔层组织形貌影响较为显著。扫描速度高时,陶瓷层重熔组织为单一的柱状晶结构;扫描速度降低后,则得到表面等轴晶+柱状晶双层结构的重熔层。激光重熔导致纳米和常规陶瓷层内出现分割裂纹。分割裂纹始于重熔层,向涂层内部延伸,但并没有全部贯穿整个陶瓷涂层。随着激光扫描速度的增加,陶瓷涂层内分割裂纹密度近似线性比例提高。激光重熔后的纳米陶瓷层更易获得垂直表面的分割裂纹,其密度高于常规陶瓷层。激光重熔对纳米试样热震性能的影响是双重的。在较高扫描速度下,激光重熔试样的热震寿命高于等离子喷涂态涂层试样;但在较低扫描速度下,激光重熔试样的热震寿命反而低于等离子喷涂态试样。激光重熔纳米试样的热震次数随着扫描速度的降低而降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 钛及钛合金
• 1.1.1 钛及钛合金概述
• 1.1.2 钛合金类型
• 1.1.3 钛合金的应用
• 1.2 钛合金表面高温防护
• 1.2.1 钛合金高温氧化与扩散行为
• 1.2.2 提高钛合金抗氧化性的措施
• 1.2.3 钛合金表面高温抗氧化及隔热涂层研究进展
• 1.3 热障涂层
• 1.3.1 热障涂层概述
• 1.3.2 热障涂层材料体系
• 1.3.2.1 陶瓷层材料
• 1.3.2.2 粘结层材料
• 1.3.3 热障涂层结构体系
• 1.3.4 热障涂层的制备
• 1.3.4.1 等离子喷涂
• 1.3.4.2 电子束物理气相沉积
• 1.3.5 热障涂层的失效机理
• 1.3.5.1 热应力
• 1.3.5.2 热生长氧化膜
• 1.3.5.3 其他因素
• 1.4 纳米氧化锆涂层的研究
• 1.4.1 氧化锆纳米结构的稳定性
• 1.4.2 等离子喷涂纳米氧化锆涂层的研究进展
• 1.5 等离子喷涂陶瓷层的激光重熔研究
• 1.6 论文研究意义、目的与内容
• 参考文献
• 第二章 钛合金表面等离子喷涂纳米热障涂层
• 2.1 引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 试样原材料与涂层的制备
• 2.2.2 组织形貌表征与性能测试
• 2.2.2.1 微观组织形貌观察与相分析
• 2.2.2.2 表面粗糙度测定
• 2.2.2.3 微观力学性能
• 2.2.2.4 结合强度
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 等离子喷涂对钛合金基体的影响
• 2.3.1.1 钛合金基体的微观组织变化
• 2.3.1.2 维氏显微硬度
• 2.3.2 粘结层
• 2.3.2.1 微观组织形貌与显微硬度
• 2.3.2.2 相组成
• 2.3.3 陶瓷层制备
• 2.3.3.1 微观组织形貌
• 2.3.3.2 物相分析
• 2.3.3.3 表面粗糙度
• 2.3.3.4 微观力学性能
• 2.3.4 钛合金表面纳米热障涂层的结合强度
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 纳米热障涂层的热物理性能与隔热性
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 性能检测
• 3.2.2 隔热效果试验
• 3.2.2.1 试样制备
• 3.2.2.2 隔热试验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氧化锆陶瓷涂层的孔隙率
• 3.3.2 氧化锆陶瓷层热物理性能
• 3.3.2.1 热膨胀系数
• 3.3.2.2 导温系数
• 3.3.2.3 导热系数
• 3.3.3 涂层隔热效果
• 3.3.3.1 试验现象分析
• 3.3.3.2 隔热效果讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 等离子喷涂热障涂层残余应力分析
• 4.1 引言
• 4.2 等离子喷涂热障涂层系统残余应力分析
• 4.2.1 残余应力溯源
• 4.2.2 热障涂层系统残余应力理论分析
• 4.2.2.1 等离子喷涂过程中热障涂层淬火应力分析
• 4.2.2.2 热物理性能失配热应力
• 4.2.2.3 常温下等离子喷涂态热障涂层中总应力分布
• 4.3 陶瓷涂层表面宏观残余应力测试
• 4.3.1 X 射线衍射法测试表面宏观残余应力理论背景
• 4.3.2 试样制备
• 4.3.3 组织形貌观察与表面宏观残余应力测试
• 4.4 钛合金表面热障涂层残余应力分析与讨论
• 4.4.1 陶瓷涂层中的微裂纹观察
• 4.4.2 陶瓷涂层表面残余应力
• 4.4.3 残余应力理论分析讨论及与实验数据的比较
• 4.4.3.1 淬火效应形成残余应力的分布
• 4.4.3.2 热膨胀系数失配导致残余应力的分布
• 4.4.3.3 与其他分析模式的比较
• 4.4.3.4 残余应力分析值与实验值的比较分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 钛合金表面纳米热障涂层的抗热震性能
• 5.1 引言
• 5.2 抗热震性能试验
• 5.2.1 试样制备
• 5.2.2 热震试验
• 5.2.3 组织表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 常规与纳米热障涂层的热震失效分析
• 5.3.1.1 热震试验结果
• 5.3.1.2 热震失效后的陶瓷涂层相结构分析
• 5.3.1.3 热生长氧化物分析
• 5.3.1.4 微观组织结构观察
• 5.3.1.5 热震温度对纳米热障涂层寿命的影响
• 5.3.1.6 陶瓷层厚度对纳米热障涂层热震寿命的影响
• 5.3.2 粘结层/钛合金基体热震后的界面分析
• 5.3.2.1 界面微观形貌
• 5.3.2.2 界面元素分布
• 5.3.2.3 逐层XRD 物相分析
• 5.3.2.4 扩散反应层分析
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 纳米热障涂层表面激光重熔
• 6.1 前言
• 6.2 实验过程
• 6.2.1 试样准备
• 6.2.2 涂层表面的激光重熔
• 6.2.3 组织形貌与相的表征
• 6.2.4 热震试验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 激光重熔试样的表面形貌与粗糙度
• 6.3.1.1 表面网状微裂纹
• 6.3.1.2 表面凹坑
• 6.3.1.3 表面粗糙度
• 6.3.1.4 激光重熔层熔深与熔宽的变化
• 6.3.2 微观组织形貌
• 6.3.2.1 表面形貌
• 6.3.2.2 截面形貌
• 6.3.2.3 激光重熔层中的分割裂纹
• 6.3.3 激光重熔陶瓷层相分析
• 6.3.4 表面激光重熔纳米热障涂层的抗热震性能
• 6.3.4.1 热震寿命及失效形式
• 6.3.4.2 热震失效表面及截面形貌
• 6.3.4.3 热震失效表面的相分析
• 6.3.4.4 激光表面重熔纳米涂层热震失效机制
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 主要结论及创新点
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文、申请专利及荣获奖励