钛合金在高温暴露时的抗氧化能力不足,大大限制了其应用。本文利用800°C循环氧化过程中界面的互扩散和互反应,设计了一种特殊的双层氮化物涂层,在800°C的空气中长达200小时,40次循环不会发生明显的开裂或层裂,也不会形成明显的氧化膜。该镀膜系统具有大规模工业化生产的潜力。

科学家研发新型合金涂层 在800℃空气200小时都不开裂不氧化

由于钛及钛合金的低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性,广泛应用于航空发动机燃气轮机(如风扇叶片、压气机等)、汽车工业和医学植入物领域。众所周知,提高燃气轮机的进口温度可以提高发动机效率,从而提高化石燃料效率。然而,钛合金在高温暴露时的抗氧化能力不足,大大限制了其应用。在许多应用中,尤其在航空发动机设计方面,人们希望在更高的温度下使用钛或其合金,但氧化或火灾的威胁仍然是一个长期存在的挑战。


来自英国的曼彻斯特大学和曼彻斯特城市大学的一项最新联合研究,利用800°C循环氧化过程中界面的互扩散和互反应,设计了一种特殊的双层氮化物涂层,从而调节涂层与基体之间的热失配应变,为优异性能的合金涂层提供了新的设计途径。相关论文以题为“ A conformable high temperature nitride coating for Ti alloys ”于近日发表在Acta Materialia。


论文链接:


https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.051


在该项工作中,研究人员采用磁控溅射技术在Ti和Ti6Al4V合金表面制备了Mo过渡层(300 Nm)。利用800°C循环氧化过程中界面的互扩散和相互反应,形成了由SiAlN顶层、TiN0.26和Ti5Si3混合相中间层和Ti-Mo固溶体组成的层状氮化物涂层体系,使其具有较强的扩散结合和优异的抗氧化性能。通过研究发现,新型TiN0.26中间层由于通过机械孪生表现出自适应的整合性,从而调节涂层与基体之间的热失配应变。涂层在800°C的空气中循环氧化数百小时(>40次)后不会开裂、剥落和氧化。

科学家研发新型合金涂层 在800℃空气200小时都不开裂不氧化

图1 沉积态SiN/Mo涂层的微观结构

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图2 界面强化和抗氧化性

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图3 SiAlN/ Mo涂层的抗氧化性以及涂层表面(顶部)和裸露表面(左侧)的SEM截面图

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图4 划痕试验样品的微观结构和元素分布

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图5 循环氧化试样的微观结构和元素分布

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图6 氧化100h后SiAlN涂层的微观结构

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图7 原状和层状氮化物涂层系统示意图

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图8 经过800°C/100h循环氧化后的层状涂层系统中TiN0.26相的微观结构


总的来说,这项研究的双层氮化钛涂层,由于互扩散和互反应,层状氮化物涂层系统在热暴露后表现出增强的附着力,并且它可以自适应地进行广泛的热循环(在800°C的空气中长达200小时,40次循环),不会发生明显的开裂或层裂,也不会形成明显的氧化膜。这种含Mo中间层的SiAlN涂层也可用于其它钛合金,甚至γ-TiAl金属间化合物合金。此外,由于磁控溅射技术的可扩展性和相对较低的成本,该镀膜系统具有大规模工业化生产的潜力,同时在医学植入物领域的涂层中也具有潜在的应用前景。


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文章来源: 材料科学与工程

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