论文部分内容阅读
O相Ti2AlNb合金具有较好的物理和机械性能等特点，有望在航空发动机叶片等高温零部件上得到广泛应用。但研究发现在750℃以上使用时，合金的表面生成TiO2和AlNbO4的氧化层，不具有保护性能，同时在氧化层和合金界面处溶解大量的氧使合金脆化，所以该合金的高温抗氧化性能较差。因此，该合金在高温工作条件下的表面防护是一个亟待解决的问题。
本论文利用电弧离子镀技术在O相Ti2AlNb合金表面直接制备抗氧化性能优异的M(M=Ni，NiCo)CrAlY涂层。但是，由于MCrAlY涂层和O相Ti2AlNb合金在化学成分和相结构上相差较大，在高温抗氧化过程中涂层和合金基体之间发生严重的互扩散，影响涂层的高温稳定性，缩短了涂层的使用寿命，最终导致MCrAlY涂层丧失抗氧化性能和材料体系力学性能下降。因此，在涂层与合金基体之间添加扩散阻挡层，希望能够解决该问题。
本文利用电弧离子镀和带有磁过滤的电弧离子镀的方法分别制备出Al-Al2O3薄膜和不同厚度的Al2O3薄膜。对于Al-Al2O3薄膜，通过控制氧气的流量，可以制备出不同Al：O的Al-Al2O3薄膜，其中的Al2O3为非晶结构。利用具有磁过滤的电弧离子镀可以制备出均匀、致密、没有大颗粒污染的Al2O3薄膜。通过控制沉积时间，制备出不同厚度的Al2O3薄膜。
对于NiCrAlY/Al-Al2O3/Ti2AlNb材料体系，该体系的抗氧化能力有了不同程度的提高，同时涂层和合金基体之间的互扩散有不同程度减轻。随着Al-Al2O3阻挡层中O：Al的增加，抑制元素互扩散能力也随之增强。但是，当O：Al比例为3:2时，在氧化过程中，界面和扩散阻挡层中均有裂纹出现，最终影响了该材料体系的抗氧化性能和界面结合性能。该体系中，综合表现比较优异的为NiCrAlY/50Al-Al2O3/Ti2AlNb材料体系。
对于NiCrAlY/Al2O3/Ti2AlNb材料体系，该体系的抗氧化能力也有不同程度的提高。通过调节Al2O3阻挡层的厚度，可以控制抑制涂层和合金基体之间互扩散程度，从而影响材料体系的抗氧化能力和界面结合强度。随着Al2O3阻挡层的厚度增厚，抑制元素互扩散能力越强，但界面结合强度减弱，同时在循环氧化过程中，界面处产生的热应力较大导致界面开裂，引起内氧化现象的产生。
研究表明，通过引入陶瓷阻挡层，可以提高材料体系的抗氧化涂层的高温稳定性，延长其使用寿命。但是，由于陶瓷层与涂层和合金的物理和力学性能相差较大，对材料体系有一定的不利影响。所以本论文还尝试利用电镀的方法在O相Ti2AlNb合金表面制备Ni-Re层作为阻挡层。研究表明，Ni-Re层对涂层和合金基体之间的元素互扩散有一定的抑制作用，同时界面处的结合较好。
目前对于扩散阻挡层研究还没能从定量或半定量角度来简洁地表征抑制作用。为此，本论文提出扩散阻挡层对合金元素的表观阻挡系数和扩散阻挡层的反应阻挡因子两概念，并提出相应的测量和计算方法。