基本信息
- 项目名称：
- Si02/TiP2O7复合涂层的制备及其对Ti6Al4V合金的高温防护
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用溶胶-凝胶法和创新性的磷酸预处理工艺，在钛合金表面制备Si02/TiP2O7复合涂层。由于二者优良的热稳定性及其与合金良好的结合能力，起到对合金的高温防护作用，将其使用温度提高至600°C。
- 详细介绍：
- Ti6Al4V合金由于其低密度、比强度高等特性，是航空航天工业最理想的高温结构材料。但其在600°C以上出现的严重高温氧脆现象影响到它在实际中的广泛应用。 本作品以环境友好、工艺简单及可控制涂层纳米尺寸的溶胶-凝胶法和创新性的磷酸预处理工艺，在钛合金表面制备Si02/TiP2O7复合涂层。由于二者优良的热稳定性及其与合金良好的结合能力，起到对合金的高温防护作用，将其使用温度提高至600°C。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：本作品旨在讨论一种崭新的Si02/TiP2O7复合涂层制备工艺和高温防护性能。 基本思路：通过磷酸浸涂处理合金表面后，采用胶凝-胶技术在合金表面制备Si02/TiP2O7复合涂层。利用涂层材料良好的热稳定性，达到对钛合金的高温防护作用。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：Ti6Al4V合金较差的抗高温氧化性能限制了其应用。而在合金表面施加涂层是有效的防护措施。 先进性：通过磷酸浸渍/热处理和溶胶-凝胶工艺在合金表面制备Si02/TiP2O7复合涂层尚属空白。 独特之处：磷酸处理Ti6Al4V表面以提高其抗氧化能力尚无报道。实验利用改性的硅溶胶在合金表面制得防护性Si02/TiP2O7复合涂层。
应用价值和现实意义
- 钛合金的主干材料Ti6Al4V合金具有高强度、低密度和较好的耐高温氧化性能等优点，广泛应用于航空、航天及船舶工业。但较低的使用温度(300~350°C)限制了其高温应用。 Si02/TiP2O7复合涂层具备对Ti6Al4V合金的高温防护作用，提高使用温度，延长材料寿命。同时，涂层的制备工艺简单，可大面积成膜。所以，该方法具有较高的实际应用价值和现实意义。
学术论文摘要
- 含6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V的Ti6Al4V合金是钛合金中的主干材料。研究表明V元素的添加改善了钛合金的室温塑性，但对合金的热稳定性和抗高温氧化能力是有害的。在钛合金表面施加抗氧化涂层是有效的防护方法，最近报道的主要有陶瓷涂层、铝涂层、硅涂层及搪瓷涂层等，但大部分的涂层和基材之间存在粘附性差和严重的互扩散等问题。 本文以溶胶-凝胶法联合基材表面磷酸处理制备了Si02/TiP2O7复合涂层。涂层经XRD、SEM分析为非晶SiO2和焦磷酸钛相组成。600°C下静态空气恒温氧化实验表明涂层对基材起到了较好的防护作用空白样品氧化速率常数为1.46×10-10 g2•cm-4•s-1，较涂层样品(7.60×10-11 g2•cm-4•s-1)高近一个数量级。而且涂层样品氧化膜的TiO2体积分数相对下降，涂层明显抑制了氧化膜的开裂和剥落。TiP2O7相在氧化24h后仍稳定存在。氧化膜形貌和物相分析显示，涂层样品基材与氧化膜之间出现连续的Al2O3层。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 蒲忠杰，蔡其巩，朱静. TiAlV金属间化合物的高温变形行为 [J]. 金属学报，1989，25: 363~365. [2] 熊玉明，朱圣龙，王福会. 影响Ti合金热稳定性的因素 [J]. 腐蚀科学与防护技术，2001，13: 471~475. [3]于存贞，魏德洲，朱圣龙. SiO2薄膜改善Ti6Al4V合金恒温氧化行为的研究 [J]. 腐蚀科学与防护技术，2007，27: 95-97. [4] X. J. Zhang, Q. Li, S. Y. Zhao, C. X. Gao and Z. G. Zhang. Sol–gel Al2O3/ZrO2 duplex films for protection of a γ-TiAl based alloy against high temperature oxidation [J]. J. Sol-Gel Sci. Technol, 2008, 47:107~114. 申报研究性报告一篇
同类课题研究水平概述
- 与传统的钴基和镍基高温合金比较，钛合金在具有低密度的同时，能够保证高温条件下的高强度、高弹性模量、低蠕变性能等优势，被认为是理想的高温结构材料。 Ti6Al4V合金是钛合金中的主干材料，其产量占世界各国钛合金总产量的60%。作为世界上第一个研制成功的高温钛合金，其使用温度为300~350°C。它具有高强度、低密度和较好的耐高温氧化性能等优点，广泛应用于航空、航天及船舶工业。GE-4发动机采用了Ti 6AI4V合金做空心叶片，与实心叶片比较，不仅重量减轻了20%，而且保证了叶片的抗侵蚀性和抗外来物损伤的性能。美国的Shultz钢铁公司制造的商务飞机驾驶舱框架，以及Rolls-Royce公司生产的商用飞机发动机前叶片均使用了该合金。 在高温使用钛合金的困难在于必须提高抗氧化性能并能满足对力学性能的要求。能提高某种性能的措施通常会降低另外一种性能。由于氧化破坏主要限于零件的外层区域，而力学性能是由于零件的整个截面所决定的，因此同时获得最佳力学性能和抗氧化性能的一种最有希望的方法是采用表面改性技术，特别是涂层技术。对于钛合金的抗氧化涂层一般有以下几点要求：(1) 抗氧化温度应超过600°C；(2) 没有固有的微观组织缺陷；(3) 对合金的机械性能没有不利影响。 随着航空、航天等技术的不断发展，对高温防护涂层的性能以及制备技术要求也越来越高。为适应不同工业背景的使用要求，已经开发出了一系列的高温防护涂层。在高温氧化领域，人们习惯上将高温防护涂层分为热扩散涂层；和表面包覆涂层两类。为表述方便，将各涂层按照其组成和功能分为：(l)热扩散涂层;(2)陶瓷涂层;(3)MCrAIY涂层;(4)热障涂层;(5)搪瓷涂层;这些涂层都各具优点，但一旦涉及到实际的使用要求，它们都有一些不尽人意的地方，有待于进一步研究。
