·1008 工程科学学报，第42卷，第8期 reduced,thereby hindering of O diffusion and reducing the burning rate KEY WORDS TC4:chrome plating;combustion;oxygen;diffusion 钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高 合金表面制备纯C涂层，且具有成本低、工艺简 等特点在航空、航天、化工、兵器、舰船、汽车、建 单、适用于各种形状的零件等优点，因其具有优异 筑、医疗等领域有着广阔的应用前景山然而，因 的耐磨性及抗氧化性能已被广泛应用于钛合金零 其硬度低、耐磨性差、导热性差等特点，在极端工 件的防护，如钛合金飞机起落架7及钛合金迫击 况下，存在着燃烧敏感性强的问题.例如为了增加 炮身管网.研究发现Ti-Cr-V系阻燃钛合金的阻 飞机发动机的推重比，钛合金材料常用于航空飞 燃机理是能形成致密的Cr的氧化膜而具有优良 机发动机压气机叶片，在偶然状况下，叶片与机匣 的抗燃烧性能，因此电镀Cr涂层也有利于提高 摩擦四，会产生大量的热，由于本身导热性差，在高 钛合金抗燃性能，但还鲜有报道 的热量累积与外部工况（高温、高压、高速气流） 因此本文采用电镀硬Cr的方式制备了不同厚 的共同作用下，使得钛合金叶片的局部能量超过 度Cr涂层的TC4钛合金，并通过富氧点燃试验 其燃烧所需要的临界能量，到达某一临界温度B, (Promoted ignition-combustion test,.PIC),分析了镀 使其发生像木材、尼龙一样的燃烧现象，具体特征 Cr后的TC4钛合金的抗燃烧性能，研究Cr层厚度 为体积减少，有火光产生，并产生大量的热1燃 对燃烧性能的影响规律.同时，对镀Cr后的 烧时的瞬间温度高达2700℃，速度极快，一旦发 TC4钛合金的燃烧行为进行观察，采用氩气对正 生燃烧，来不及采取灭火措施，会造成不可估量的 在燃烧的棒材进行强制熄灭，并对燃烧产物进 损失为了解决这一关键问题，进行了大量的尝 行分析，探究电镀C层在燃烧过程中的作用，以 试，开发了一系列阻燃钛合金和耐燃涂层.美国和 期为未来进一步研究钛合金阻燃涂层及其机理问 俄罗斯的研究人员先后研究出Ti-Cr-V系及 题起到一定的参考作用 Ti-Cu系阻燃钛合金.但随着推重比的进一步提 1试验材料及方法 高，阻燃钛合金因重量较高已不能满足服役需求 因此，合适的阻燃涂层是提高钛合金抗燃烧性能 1.1材料 的关键技术0-) 本文采用商用TC4钛合金（退火态），化学成 在阻燃涂层的研究中，主要集中在以下几类， 分如表1所示 是具有良好隔热性能的涂层，如ZO2等；二是 1.2试验过程 由钇稳定二氧化锆(YSZ)的热障涂层与可磨耗封 1.2.1镀Cr工艺 严面层构成的复合涂层：三是利用双层辉光等离 商用TC4钛合金棒材尺寸为3.2mm×50mm, 子渗技术在表面渗入Cr、Cu、Mo等合金元素，形成 按照以下流程进行镀C:清洗（除油、脱脂）→喷 Ti-Cr、Ti-Cu、Ti-Mo等表面阻燃合金层等4- 砂→酸洗+活化前处理→电镀硬Cr.电镀硬Cr工 因Cu、Cr和Ti在高温下有比较大的固溶度，常常 艺及参数为：CrO3的浓度为500gL,浓H2SO4为 作为复合阻燃涂层的底层，来防止熔点较低的第 2.5gL,温度为25~30℃，电流密度为30Adm2 二层(Ni、Co、Ag等)向基体扩散6.在钛合金表 沉积速率约为30umh.电镀完后的试样，在1~ 面渗Cr时，Cr元素原子浓度在14%以上时，才可 2h内，放在200℃的恒温鼓风千燥箱，保温2h, 以实现抗烧蚀性能.而双层辉光等离子渗Cr技 进行去氢处理.通过控制电镀时间，来获取不同厚 术，其Cr元素呈梯度分布，最高原子浓度约为 度的镀Cr层，如图1 20%啊，其浓度受制于Cr元素在基体金属中的溶 1.2.2燃烧试验 解度且制备成本较高.相对而言，电镀硬C是一 采用金属材料富氧燃烧试验中应用最广的 种工艺成熟的传统表面处理技术四，不仅可以在钛 PIC实验，实验过程参考ASTM GI:24-10(Standard 表1TC4钛合金化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy(mass fraction) % Al Fe N H 0 Ti 5.56.8 3.5w4.5 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.015 ≤020 balreduced, thereby hindering of O diffusion and reducing the burning rate. KEY WORDS    TC4；chrome plating；combustion；oxygen；diffusion 钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高 等特点在航空、航天、化工、兵器、舰船、汽车、建 筑、医疗等领域有着广阔的应用前景[1] . 然而，因 其硬度低、耐磨性差、导热性差等特点，在极端工 况下，存在着燃烧敏感性强的问题. 例如为了增加 飞机发动机的推重比，钛合金材料常用于航空飞 机发动机压气机叶片，在偶然状况下，叶片与机匣 摩擦[2] ，会产生大量的热，由于本身导热性差，在高 的热量累积与外部工况（高温、高压、高速气流） 的共同作用下，使得钛合金叶片的局部能量超过 其燃烧所需要的临界能量，到达某一临界温度[3−4] ， 使其发生像木材、尼龙一样的燃烧现象，具体特征 为体积减少，有火光产生，并产生大量的热[5−8] . 燃 烧时的瞬间温度高达 2700 ℃，速度极快，一旦发 生燃烧，来不及采取灭火措施，会造成不可估量的 损失[9] . 为了解决这一关键问题，进行了大量的尝 试，开发了一系列阻燃钛合金和耐燃涂层. 美国和 俄罗斯的研究人员先后研究 出 Ti –Cr – V 系 及 Ti–Cu 系阻燃钛合金. 但随着推重比的进一步提 高，阻燃钛合金因重量较高已不能满足服役需求. 因此，合适的阻燃涂层是提高钛合金抗燃烧性能 的关键技术[10−13] . 在阻燃涂层的研究中，主要集中在以下几类， 一是具有良好隔热性能的涂层，如 ZrO2 等；二是 由钇稳定二氧化锆（YSZ）的热障涂层与可磨耗封 严面层构成的复合涂层；三是利用双层辉光等离 子渗技术在表面渗入 Cr、Cu、Mo 等合金元素，形成 Ti–Cr、Ti–Cu、Ti–Mo 等表面阻燃合金层等[14−16] . 因 Cu、Cr 和 Ti 在高温下有比较大的固溶度，常常 作为复合阻燃涂层的底层，来防止熔点较低的第 二层（Ni、Co、Ag 等）向基体扩散[16] . 在钛合金表 面渗 Cr 时，Cr 元素原子浓度在 14% 以上时，才可 以实现抗烧蚀性能. 而双层辉光等离子渗 Cr 技 术 ，其 Cr 元素呈梯度分布 ，最高原子浓度约为 20% [15] ，其浓度受制于 Cr 元素在基体金属中的溶 解度且制备成本较高. 相对而言，电镀硬 Cr 是一 种工艺成熟的传统表面处理技术[1] ，不仅可以在钛 合金表面制备纯 Cr 涂层，且具有成本低、工艺简 单、适用于各种形状的零件等优点，因其具有优异 的耐磨性及抗氧化性能已被广泛应用于钛合金零 件的防护，如钛合金飞机起落架[17] 及钛合金迫击 炮身管[18] . 研究发现 Ti–Cr–V 系阻燃钛合金的阻 燃机理是能形成致密的 Cr 的氧化膜而具有优良 的抗燃烧性能[12] ，因此电镀 Cr 涂层也有利于提高 钛合金抗燃性能，但还鲜有报道. 因此本文采用电镀硬 Cr 的方式制备了不同厚 度 Cr 涂层的 TC4 钛合金，并通过富氧点燃试验 （Promoted ignition-combustion test，PIC），分析了镀 Cr 后的 TC4 钛合金的抗燃烧性能，研究 Cr 层厚度 对燃烧性能的影响规律 . 同时 ，对 镀 Cr 后 的 TC4 钛合金的燃烧行为进行观察，采用氩气对正 在燃烧的棒材进行强制熄灭[14] ，并对燃烧产物进 行分析，探究电镀 Cr 层在燃烧过程中的作用，以 期为未来进一步研究钛合金阻燃涂层及其机理问 题起到一定的参考作用. 1    试验材料及方法 1.1    材料 本文采用商用 TC4 钛合金（退火态），化学成 分如表 1 所示. 1.2    试验过程 1.2.1    镀 Cr 工艺 商用 TC4 钛合金棒材尺寸为 ϕ3.2 mm×50 mm， 按照以下流程进行镀 Cr：清洗（除油、脱脂） →喷 砂→酸洗+活化前处理→电镀硬 Cr. 电镀硬 Cr 工 艺及参数为：CrO3 的浓度为 500 g∙L−1 ，浓 H2SO4 为 2.5 g∙L−1，温度为 25～30 ℃，电流密度为 30 A∙dm−2 . 沉积速率约为 30 μm∙h−1 . 电镀完后的试样，在 1～ 2 h 内，放在 200 ℃ 的恒温鼓风干燥箱，保温 2 h， 进行去氢处理. 通过控制电镀时间，来获取不同厚 度的镀 Cr 层，如图 1. 1.2.2    燃烧试验 采用金属材料富氧燃烧试验中应用最广的 PIC 实验，实验过程参考 ASTM G124–10（Standard 表 1  TC4 钛合金化学成分 (质量分数) Table 1  Chemical composition of TC4 titanium alloy（mass fraction） % Al V Fe C N H O Ti 5.5～6.8 3.5～4.5 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.015 ≤0.20 bal · 1008 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期