熊家帅等：电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响 ·1009· 40m 40m 40 um 图1电沉积时间与厚度的关系.(a)0.5h:(b)1h:(c)2h Fig.1 Diagram of plating time and thickness:(a)0.5 h;(b)1 h;(c)2 h test method for determining the combustion behavior of 端积聚，并出现熔池，火焰呈现橘黄色，熔池在重 metallic materials in oxygen-enriched atmospheres) 力的作用下滴落，在滴落的过程中，熔池仍在燃 准，采用自行设计的设备（图2），对尺寸为Φ3.2mm× 烧.一旦燃烧开始，这一过程不断重复，直至样品 50mm的TC4基体及镀有15、30、60umCr层的 被烧完，燃烧的过程中伴随飞溅和烟雾.试验发 样品进行燃烧试验.操作如下：将样品一端固定在 现：氧压越低，熔池滴落的速度越慢，燃烧过程中 样品架上，金属镁为引燃物，质量为0.05g,抽真空 飞溅现象越明显，产生的烟雾也越多.这是因为在 至0.01MP.充入氧气（体积纯度99%）至所需压 燃烧的过程中，燃烧速度越慢，单位时间内进入熔 力，通过电阻丝加热引燃，在不同氧压下进行 池的原料就越少，形成熔池及熔池滴落的速度也 PIC实验.用高速摄像机记录燃烧过程.采集样品 越慢，氧气有足够的时间进入熔池，随之燃烧越发 时，在0.15MPa下，通入氩气强制熄灭，收集挥发 充分，燃烧熔池的温度也就越高，而沸点较低的氧 颗粒，把样品打磨、抛光，抛光后用腐蚀液(HF、 化物就会挥发，造成大量的飞溅及烟雾.从燃烧现 HNO3和HO的体积比为1：3：6)对样品进行腐 象的分析可知，Cr层并不能阻止TC4钛合金燃烧 蚀，最后用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等 时的飞溅. 方法进行观察分析 2.2不同厚度的Cr层对TC4燃烧临界氧压的影响 影响燃烧临界氧压的因素主要有以下三类： (1)材料特征，主要包括化学成分、形状、尺寸等： Inlet Outlet (2)点燃特征，主要包括引燃物的种类、局部温度 热量的输入等：(3)氧化剂特征，如总压力、氧分压 Sample holder Sample 等.测试样品均在形状、尺寸及引燃物用量都确 定的情况下，分析Cr层厚度对TC4燃烧临界氧压 Igniter Promoter 的影响.图4为TC4基体、镀有15、30、60m厚度Cr Catch cup Sight glass 层的样品在富氧点燃工况下燃烧的临界氧压.从 Heating system and 图中可以看出，TC4钛合金在富氧点燃工况下的燃 associated Power supply temperature sensors feed throughs 烧临界氧压为0.07MPa.当Cr层厚度为l5m和 are implemented for heated testing 30m时，对TC4燃烧的临界氧压影响不大.但当涂 图2富氧点燃试验装置原理图网 层厚度为60um时，TC4的临界氧压升高到0.15MPa, Fig.2 Schematic ofthe PIC test apparatus 约为基体的2倍.这说明Cr层较薄时，不会对 TC4钛合金的临界氧压产生明显影响，C层越厚， 2试验结果 对TC4钛合金临界氧压的影响越明显.因此，镀层 2.1镀Cr后TC4燃烧过程观察 厚度是影响TC4钛合金临界氧压的主要因素 图3是对Cr层厚度为60um的TC4棒材在 2.3不同厚度的Cr层对TC4燃烧速率的影响 02MPa氧压下燃烧过程的原位观察.从图3(b)和 燃烧速率指单位时间内熔体界面的运动速率 图3（©）中可以看出镁条引燃瞬间，发出耀眼白光， 图5为TC4钛合金及镀有15、30、60mCr层的样品 由于镁条燃烧释放大量热量，试样开始被引燃时， 的燃烧速率与氧压的关系图.从图中可以看出氧 火光呈现亮白色.随着燃烧的进行，燃烧热在燃烧 压越高，镀Cr后的TC4钛合金燃烧速率越快.同test method for determining the combustion behavior of metallic materials in oxygen-enriched atmospheres）标 准，采用自行设计的设备（图 2），对尺寸为 ϕ3.2 mm× 50 mm 的 TC4 基体及镀有 15、30、60 μm Cr 层的 样品进行燃烧试验. 操作如下：将样品一端固定在 样品架上，金属镁为引燃物，质量为 0.05 g，抽真空 至 0.01 MPa，充入氧气（体积纯度 99%）至所需压 力 ，通过电阻丝加热引燃 ，在不同氧压下进 行 PIC 实验. 用高速摄像机记录燃烧过程. 采集样品 时，在 0.15 MPa 下，通入氩气强制熄灭，收集挥发 颗粒，把样品打磨、抛光，抛光后用腐蚀液（HF、 HNO3 和 H2O 的体积比为 1∶3∶6）对样品进行腐 蚀，最后用扫描电镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）等 方法进行观察分析. 2    试验结果 2.1    镀 Cr 后 TC4 燃烧过程观察 图 3 是对 Cr 层厚度为 60 μm 的 TC4 棒材在 0.2 MPa 氧压下燃烧过程的原位观察. 从图 3（b）和 图 3（c）中可以看出镁条引燃瞬间，发出耀眼白光， 由于镁条燃烧释放大量热量，试样开始被引燃时， 火光呈现亮白色. 随着燃烧的进行，燃烧热在燃烧 端积聚，并出现熔池，火焰呈现橘黄色，熔池在重 力的作用下滴落，在滴落的过程中，熔池仍在燃 烧. 一旦燃烧开始，这一过程不断重复，直至样品 被烧完，燃烧的过程中伴随飞溅和烟雾. 试验发 现：氧压越低，熔池滴落的速度越慢，燃烧过程中 飞溅现象越明显，产生的烟雾也越多. 这是因为在 燃烧的过程中，燃烧速度越慢，单位时间内进入熔 池的原料就越少，形成熔池及熔池滴落的速度也 越慢，氧气有足够的时间进入熔池，随之燃烧越发 充分，燃烧熔池的温度也就越高，而沸点较低的氧 化物就会挥发，造成大量的飞溅及烟雾. 从燃烧现 象的分析可知，Cr 层并不能阻止 TC4 钛合金燃烧 时的飞溅. 2.2    不同厚度的 Cr 层对 TC4 燃烧临界氧压的影响 影响燃烧临界氧压的因素主要有以下三类： （1）材料特征，主要包括化学成分、形状、尺寸等； （2）点燃特征，主要包括引燃物的种类、局部温度 热量的输入等；（3）氧化剂特征，如总压力、氧分压 等. 测试样品均在形状、尺寸及引燃物用量都确 定的情况下，分析 Cr 层厚度对 TC4 燃烧临界氧压 的影响. 图4 为TC4 基体、镀有15、30、60 μm 厚度Cr 层的样品在富氧点燃工况下燃烧的临界氧压. 从 图中可以看出，TC4 钛合金在富氧点燃工况下的燃 烧临界氧压为 0.07 MPa. 当 Cr 层厚度为 15 μm 和 30 μm 时，对 TC4 燃烧的临界氧压影响不大. 但当涂 层厚度为 60 μm 时，TC4 的临界氧压升高到 0.15 MPa， 约为基体的 2 倍. 这说明 Cr 层较薄时 ，不会对 TC4 钛合金的临界氧压产生明显影响，Cr 层越厚， 对 TC4 钛合金临界氧压的影响越明显. 因此，镀层 厚度是影响 TC4 钛合金临界氧压的主要因素. 2.3    不同厚度的 Cr 层对 TC4 燃烧速率的影响 燃烧速率指单位时间内熔体界面的运动速率. 图 5 为 TC4 钛合金及镀有 15、30、60 μm Cr 层的样品 的燃烧速率与氧压的关系图. 从图中可以看出氧 压越高，镀 Cr 后的 TC4 钛合金燃烧速率越快. 同 (b) 30.3 μm 40 μm (a) 14.6 μm 40 μm 59.2 μm 40 μm (c) 图 1    电沉积时间与厚度的关系. （a）0.5 h；（b）1 h；（c）2 h Fig.1    Diagram of plating time and thickness: (a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 2 h Inlet Outlet Sample holder Sample Igniter Promoter Catch cup Sight glass Heating system and associated temperature sensors are implemented for heated testing Power supply feed throughs 图 2    富氧点燃试验装置原理图[19] Fig.2    Schematic of the PIC test apparatus 熊家帅等： 电镀 Cr 涂层对 TC4 钛合金燃烧性能的影响 · 1009 ·