Ti6Al4V表面TiO2-ZrO2微弧氧化復合陶瓷層的制備及高溫氧化行為研究.pdf

1、為了解決鈦合金高溫服役條件下的氧化問題，采用微弧氧化技術在Ti6Al4V表面原位生長 ZrO2/TiO2復合陶瓷膜。通過在兩種鋯鹽體系中優(yōu)化電解液組成，正交試驗優(yōu)化電參數(shù)，優(yōu)選出復合陶瓷膜最佳制備參數(shù)。采用 XRD、SEM、EDS等分析手段表征膜層的相組成、微觀形貌、元素分布，研究了不同溫度下的氧化行為及其氧化機理。
　　Zr-1、Zr-2兩種電解液體系的相組成規(guī)律和生長特性研究結果表明二者的共性特點是：電壓影響膜層的相組成、生長

2、速率和晶化程度；在一定范圍內(nèi)增加鋯鹽濃度可以提高膜層中的Zr含量；膜層的生長呈先快后慢后趨于平穩(wěn)，且隨時間的增加膜層表面的Zr含量減少，Ti含量相對增多。不同之處是：Zr-1膜層由ZrO2和ZrTiO4組成，Zr含量較多而 Ti較少，膜層主要由來自電解液的元素向內(nèi)生長構建，膜層疏松多孔，和基體結合較差；Zr-2膜層由ZrO2、TiO2和ZrTiO4組成，Ti和Zr含量相當，由來自電解液的元素向內(nèi)生長和基體元素向外生長共同參與構建，結構致

3、密，與基體結合良好。
　　通過正交試驗優(yōu)化了制備膜層的電參數(shù)，通過500℃高溫氧化實驗考察了膜層厚度對基體抗氧化性能的影響，結果表明：微弧氧化膜層的厚度和抗氧化性不是線性關系，隨著微弧氧化膜層的增厚，高溫氧化后形成的氧化層厚度沒有明顯的改變。熱震實驗表明：相同電壓下，膜層越厚抗熱震性能越差，420V/30min處理的膜層抗熱震性能最優(yōu)。
　　500℃~800℃高溫氧化動力學表明：膜層試樣在不同溫度下呈現(xiàn)出不同的氧化規(guī)律，50

4、0℃~700℃接近拋物線規(guī)律，而800℃與拋物線規(guī)律吻合。擬合得到的氧化動力學參數(shù)表明微弧氧化將基體試樣的抗氧化性能提高了2~10倍，這得益于膜層的微觀結構和相組成。500℃~800℃高溫氧化后膜層的組織特征表明，膜層試樣在不同溫度下呈現(xiàn)出不同的氧化行為：500℃、600℃的氧化主要是氧原子向內(nèi)擴散在界面處形成了一層 TiO2；700℃、800℃的氧化是在MAO膜層界面向內(nèi)遷移、空氣向內(nèi)擴散以及基體元素向外擴散的綜合作用下形成了從外向內(nèi)

5、依次為 MAO膜層/過渡層(Al、Ti、Zr氧化物的混合物)/TiO2層/TiN層/基體的多層結構。700℃、800℃氧化后在最內(nèi)層形成了沿(111)晶面擇優(yōu)生長的TiN，并且700℃和800℃下TiN的厚度基本相同而TiO2在800℃的厚度遠大于700℃。這是由于氧化過程中形成的連續(xù)TiN層和外面的多層結構一起構成了有效的擴散阻擋層，顯著抑制了TiN和TiO2的生長，基體/TiN界面的向內(nèi)遷移速率降低，氧化速率大大減緩并逐漸趨于穩(wěn)定，