D0I:10.13374/i.issnl00103.2007.02.038 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 在钛合金表面制备AISi涂层的方法 及其高温抗氧化性 周伟赵宇光 吉林大学南岭校区材料科学与工程学院及汽车材料教有部重点实验室，长春130025 摘要采用低氧压高温快速熔结技术在Ti6A一4V合金表面成功地制备出具有抗高温氧化能力的ASi熔结涂层，·与其 他工艺相比，这种工艺相对简单，且不需要经过长时间的加热处理就能在合金的表面形成一层足够厚度的AS熔结涂层，不 仅省时节能，且涂层中的抗氧化元素铝、硅的浓度可通过调整涂层粉末的混合比例来进行控制·XRD检测表明涂层主要由 Al,Si,TisSig3和TiA3相组成.在1073K空气中循环氧化105h的实验结果表明：未经过处理的钛合金试样的氧化增重一直保 持着较高的增长速率；而对带有低氧压熔结AS涂层的试样来说，其氧化增重近似呈抛物线规律，显著地提高了钛合金的抗 氧化能力 关键词涂层：钛合金：熔结；高温氧化 分类号TB331 钛合金作为一种新型的轻金属材料，具有密度 TiA3扩散涂层氧化后可生成连续致密的Al2O3膜， 小、比强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、 具有优良的抗高温氧化特性.然而TiA3渗层室温 海洋工程、石油化工、医疗卫生等领域，然而其不高 较脆，在热应力作用下易产生裂纹或剥落，从而降低 的抗高温氧化能力严重限制了其广泛应用，因此提 了合金的抗高温循环氧化能力，且长时间高温扩散 高钛合金的抗高温氧化能力就成了亟待解决的重大 的渗铝过程不仅费时、耗能，且渗剂的分解产物污染 课题，基体合金化和表面改性、涂层技术的发展为 环境3】.金属铂改性渗铝-)虽可提高涂层与基 这一问题的解决提供了可能].基体合金化的方 体的粘结力从而提高循环氧化抗力，但价格昂贵，不 法尽管合金元素的加入在一定范围内提高了钛合金 宜推广.与此相比，熔结涂层可能是一种更为经济、 的抗氧化能力，然而由于是整体加入，所加的元素不 实用、环保的合金抗高温氧化方法，熔结是发生在 仅浪费严重，且由于合金元素的加入影响了钛合金 金属表面的高温短时（或瞬时）冶金过程，它预先把 原来的一些力学性能，因此表面改性、涂层技术就成 具有自熔特性的合金粉末涂敷在基体金属表面上， 了提高钛合金的抗氧化能力的首选方法，通过在钛 在一定的条件下（大气、真空或惰性气体保护）迅速 合金表面形成一层抗氧化涂层，合金的抗氧化能力 加热，使其中的熔相熔融并浸润固态基体的表面，通 由涂层来提供，而力学性能由钛合金基体来完成， 过扩散互溶及界面反应或溶解析出反应，在涂层与 因此，一方面大大地减少了抗氧化元素的用量，节省 基体界面处形成一个含有双方成分的互溶区，然后 了资源：另一方面由于涂层的加入只对合金表面的 涂层与互溶区一起冷凝结晶，实现涂层与基体的冶 化学成分有所改变，而对钛合金的力学性能基本没 金结合[⑧]，从而局部地改变合金材料表面的成分、 有影响，因此理想的抗氧化涂层应具有如下特点： 构造及特性，与扩散涂层技术比较可知，熔结涂层 与基体结合牢固，二者有良好的物理、化学、力学相 技术能源消耗少，无环境污染，涂层与基体结合强度 容性；能形成连续的A2O3膜以防止高温氧化及氧、 高，工艺过程相对简单，采用的自熔性合金一方面 氮溶解造成的脆化：合理的力学性能以抵抗循环氧 应具有自行脱氧造渣、净化及活化表面、改善润湿性 化和高周疲劳.固态粉末扩散渗铝是一种提高钛合 等特点；另一方面能形成低熔点共晶，以提高熔融合 金流动性和铺展能力，降低熔结温度，现有的熔结 金抗高温氧化和耐腐蚀性的有效方法，渗铝形成的 涂层技术均采用含硼、硅的铁、钴、镍、铜基自熔性合 收稿日期：2006-10-11修回日期：2006-12-11 金，亦可混合部分碳化物、硼化物等硬质点，多用来 基金项目：吉林省自然科学基金资助项目(N。.20020628-1) 强化黑色金属部件的表面，本文通过尝试用低氧压 作者简介：周伟(1978一)：男，博士研究生；赵字光(1955一)，男， 教授，博士生导师 高温熔结技术在钛合金表面制备AISi熔结涂层，在钛合金表面制备 Al－Si 涂层的方法 及其高温抗氧化性 周 伟 赵宇光 吉林大学南岭校区材料科学与工程学院及汽车材料教育部重点实验室‚长春130025 摘 要 采用低氧压高温快速熔结技术在 Ti－6Al－4V 合金表面成功地制备出具有抗高温氧化能力的 Al－Si 熔结涂层．与其 他工艺相比‚这种工艺相对简单‚且不需要经过长时间的加热处理就能在合金的表面形成一层足够厚度的 Al－Si 熔结涂层‚不 仅省时节能‚且涂层中的抗氧化元素铝、硅的浓度可通过调整涂层粉末的混合比例来进行控制．XRD 检测表明涂层主要由 Al、Si、Ti5Si3 和 TiAl3 相组成．在1073K 空气中循环氧化105h 的实验结果表明：未经过处理的钛合金试样的氧化增重一直保 持着较高的增长速率；而对带有低氧压熔结 Al－Si 涂层的试样来说‚其氧化增重近似呈抛物线规律‚显著地提高了钛合金的抗 氧化能力． 关键词 涂层；钛合金；熔结；高温氧化 分类号 TB331 收稿日期：20061011 修回日期：20061211 基金项目：吉林省自然科学基金资助项目（No．20020628－1） 作者简介：周 伟（1978－）‚男‚博士研究生；赵宇光（1955－）‚男‚ 教授‚博士生导师 钛合金作为一种新型的轻金属材料‚具有密度 小、比强度高、耐腐蚀等优点‚广泛应用于航空航天、 海洋工程、石油化工、医疗卫生等领域‚然而其不高 的抗高温氧化能力严重限制了其广泛应用‚因此提 高钛合金的抗高温氧化能力就成了亟待解决的重大 课题．基体合金化和表面改性、涂层技术的发展为 这一问题的解决提供了可能［1－2］．基体合金化的方 法尽管合金元素的加入在一定范围内提高了钛合金 的抗氧化能力‚然而由于是整体加入‚所加的元素不 仅浪费严重‚且由于合金元素的加入影响了钛合金 原来的一些力学性能‚因此表面改性、涂层技术就成 了提高钛合金的抗氧化能力的首选方法．通过在钛 合金表面形成一层抗氧化涂层‚合金的抗氧化能力 由涂层来提供‚而力学性能由钛合金基体来完成． 因此‚一方面大大地减少了抗氧化元素的用量‚节省 了资源；另一方面由于涂层的加入只对合金表面的 化学成分有所改变‚而对钛合金的力学性能基本没 有影响．因此理想的抗氧化涂层应具有如下特点： 与基体结合牢固‚二者有良好的物理、化学、力学相 容性；能形成连续的 Al2O3 膜以防止高温氧化及氧、 氮溶解造成的脆化；合理的力学性能以抵抗循环氧 化和高周疲劳．固态粉末扩散渗铝是一种提高钛合 金抗高温氧化和耐腐蚀性的有效方法‚渗铝形成的 TiAl3 扩散涂层氧化后可生成连续致密的 Al2O3 膜‚ 具有优良的抗高温氧化特性．然而 TiAl3 渗层室温 较脆‚在热应力作用下易产生裂纹或剥落‚从而降低 了合金的抗高温循环氧化能力‚且长时间高温扩散 的渗铝过程不仅费时、耗能‚且渗剂的分解产物污染 环境［3－4］．金属铂改性渗铝［5－7］ 虽可提高涂层与基 体的粘结力从而提高循环氧化抗力‚但价格昂贵‚不 宜推广．与此相比‚熔结涂层可能是一种更为经济、 实用、环保的合金抗高温氧化方法．熔结是发生在 金属表面的高温短时（或瞬时）冶金过程‚它预先把 具有自熔特性的合金粉末涂敷在基体金属表面上‚ 在一定的条件下（大气、真空或惰性气体保护）迅速 加热‚使其中的熔相熔融并浸润固态基体的表面‚通 过扩散互溶及界面反应或溶解析出反应‚在涂层与 基体界面处形成一个含有双方成分的互溶区‚然后 涂层与互溶区一起冷凝结晶‚实现涂层与基体的冶 金结合［8］‚从而局部地改变合金材料表面的成分、 构造及特性．与扩散涂层技术比较可知‚熔结涂层 技术能源消耗少‚无环境污染‚涂层与基体结合强度 高‚工艺过程相对简单．采用的自熔性合金一方面 应具有自行脱氧造渣、净化及活化表面、改善润湿性 等特点；另一方面能形成低熔点共晶‚以提高熔融合 金流动性和铺展能力‚降低熔结温度．现有的熔结 涂层技术均采用含硼、硅的铁、钴、镍、铜基自熔性合 金‚亦可混合部分碳化物、硼化物等硬质点‚多用来 强化黑色金属部件的表面．本文通过尝试用低氧压 高温熔结技术在钛合金表面制备 Al－Si 熔结涂层‚ 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．038