钛合金微弧氧化陶瓷膜层的制备及高温氧化行为

论文摘要

采用微弧氧化技术（MAO）在Ti-6Al-4V（TC4）合金表面原位生长陶瓷膜层。系统地研究了陶瓷膜的相组成、微观结构及膜层的抗高温性能,优化了抗高温陶瓷膜的制备工艺。研究了TC4合金分别在1000oC、700oC和500oC下及在不同气氛中的高温氧化行为。利用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱（EDS）、X射线荧光光谱仪（XRF）和透射电镜（TEM）研究膜层相组成、形貌、膜层元素分布特点及合金表面状态;利用高温氧化增重实验来考察钛合金微弧氧化陶瓷膜层在500oC下的抗高温氧化性能。研究表明TC4合金在铝酸盐体系中,在双脉冲普通微弧氧化条件下,制备出以Al2TiO5为主晶相的陶瓷膜层。在双脉冲双极微弧氧化反应条件下,双极电流密度相差较大时,生成的氧化膜主要由Al2TiO5、α-Al2O3和金红石TiO2组成,双极电流密度相近时,氧化膜层晶相是Al2TiO5。随双极电流密度差值的增大,Al元素含量呈现出先增大后减小,Ti和V元素含量是先减小后增大的趋势,而P元素含量则不断在增加。硅酸盐体系双脉冲时制备的膜层的主晶相为TiO2。随反应时间的延长,膜层表面颗粒的数量有所减少,但颗粒和膜层表面的孔洞变大,膜层中Si元素含量增加,Al、Ti和P元素含量逐渐变小,V元素含量是先增大后减小。单脉冲条件下,随电解液浓度增加,膜层表面孔径呈先减小后增大的趋势。随电流密度的升高,膜层表面的微孔尺寸和粗糙度变大,而微孔数量减少。随反应时间的延长,膜层变得粗糙、微孔尺寸变大。当频率升高时膜层粗糙度下降,制得的膜层表面光洁。电流密度减小,粗糙度下降。电解液浓度越大,膜层的硬度越小。在铝酸盐与次磷酸盐体系中,当两种电解质的浓度分别为4g/L和0.5g/L、频率为2000Hz,电流密度为4A/dm2,占空比为10%时所形成陶瓷膜的主要成分是Al2TiO5,膜层致密。膜厚随电流密度的提高或反应时间的延长而增厚。在700oC下进行高温氧化测试,与TC4基体的相比,优化后工艺的膜层试样高温氧化增重量仅为其1/11。硅酸钠溶液封孔后的试样孔隙小,抗高温氧化效果好。通过在500oC下恒温和循环氧化测试,与TC4合金及未封孔的试样相比,封孔后显著地提高了试样的抗高温氧化性能。双脉冲条件下制备的膜层在空气气氛下分解较快,完全分解时生成α-Al2O3和金红石二氧化钛,重量比约为44:55。陶瓷膜层的试样比基体的高温氧化增重量小。在1000oC条件下氩气中焙烧4h后,由原来较大的块状转变为细小的棒状,分布均匀、孔隙较小,裂纹也明显减少。钛合金微弧氧化陶瓷膜层在1000 oC氩气中的高温氧化行为表明,在无氧情况下,Al与TiO2在表层的反应占据了优势,最终在表面生成α-Al2O3。陶瓷膜层表面为α-Al2O3,由外至内α-Al2O3含量降低并有Ti2O3生成。微弧氧化及其氩气处理后的陶瓷膜层的氧化增重曲线呈近似抛物线规律,氩气处理后微弧氧化试样较未处理过的高温氧化增重量小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景与意义
• 1.2 国内外钛合金抗高温研究现状
• 1.2.1 钛合金及其高温氧化
• 1.2.2 钛合金表面处理技术及抗高温防护涂层
• 1.3 微弧氧化技术
• 1.3.1 钛合金微弧氧化技术
• 1.3.2 钛合金微弧氧化电源
• 1.3.3 钛合金微弧氧化电解液
• 1.3.4 钛合金微弧氧化技术抗高温性能研究进展
• 1.4 封孔后处理
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 实验材料及试剂
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 试剂
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.2.1 微弧氧化装置
• 2.2.2 微弧氧化电源
• 2.2.3 封孔装置
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 微弧氧化膜硬度测试
• 2.3.2 微弧氧化膜结合强度测试
• 2.3.3 微弧氧化膜抗高温氧化性能测试
• 2.3.4 微弧氧化膜形貌、组织结构研究方法
• 第3章 微弧氧化陶瓷膜的制备
• 3.1 双脉冲条件下微弧氧化陶瓷膜层的制备
• 3.1.1 铝酸盐体系陶瓷膜层
• 3.1.2 硅酸盐体系陶瓷膜层的制备
• 3.2 单脉冲条件下微弧氧化陶瓷膜的制备
• 3.2.1 铝酸盐体系陶瓷膜层的制备
• 3.2.2 抗高温陶瓷膜层制备条件的优化
• 3.3 脉冲参数对微弧氧化陶瓷膜层生长的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 微弧氧化陶瓷膜层封孔后处理
• 4.1 钛酸四丁酯/乙醇封孔法
• 4.1.1 钛酸四丁酯/乙醇封孔后的表面形貌
• 4.1.2 钛酸四丁酯/乙醇封孔后的高温氧化增重
• 4.2 铝酸钠溶液封孔法
• 4.2.1 铝酸钠溶液封孔后的表面形貌
• 4.2.2 铝酸钠溶液封孔后的高温氧化增重
• 4.3 电化学镀镍封孔法
• 4.3.1 电化学镀镍封孔后的表面形貌
• 4.3.2 电化学镀镍封孔后的高温氧化增重
• 4.4 氧化铝超细粉末封孔法
• 4.4.1 氧化铝超细粉末封孔后的表面形貌
• 4.4.2 氧化铝超细粉末封孔后的高温氧化增重
• 4.5 硅酸钠溶液封孔
• 4.5.1 封孔试样及焙烧试样的表面形貌
• 4.5.2 TC4 合金及焙烧后表面形貌
• 4.5.3 膜层试样及焙烧后表面形貌
• 4.6 本章小结
• 第5章 膜层的高温氧化行为研究
• 5.1 TC4 及膜层试样在1000℃ 下高温氧化行为
• 5.1.1 空气中陶瓷膜高温氧化行为
• 5.1.2 氩气中陶瓷膜高温氧化行为
• 5.1.3 两种气氛下元素含量和高温增重比较
• 5.2 TC4 及膜层试样在700℃ 下高温氧化行为
• 5.2.1 TC4 合金高温氧化前后的形貌
• 5.2.2 膜层试样高温氧化前后的形貌
• 5.2.3 700℃ 下高温氧化行为分析
• 5.3 陶瓷膜在500℃ 下抗高温氧化性能
• 5.3.1 陶瓷膜表面形貌
• 5.3.2 陶瓷膜相组成
• 5.3.3 膜层结合强度测试
• 5.3.4 陶瓷膜氧化增重曲线
• 5.3.5 500℃ 下高温氧化行为分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历