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        TiAl/BN復(fù)合封嚴(yán)涂層的耐腐蝕性能研究

        2014-11-08 05:37:58張峰黃傳兵蘭昊杜令忠張偉剛
        熱噴涂技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:氮化硼鹽霧粉體

        張峰,黃傳兵,蘭昊,杜令忠,張偉剛

        (1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

        航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣和葉片在工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱膨脹變形,因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中其轉(zhuǎn)子與機(jī)匣或者外環(huán)塊之間要預(yù)留一定間隙[1-3]。該間隙會(huì)嚴(yán)重降低風(fēng)扇、壓氣機(jī)及渦輪機(jī)的工作效率,同時(shí)增加油耗[4-6]。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,通常采用熱噴涂技術(shù)在機(jī)匣表面制備可磨耗涂層對(duì)上述間隙進(jìn)行封嚴(yán)控制。

        Al/BN復(fù)合涂層是航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的封嚴(yán)涂層材料之一,由金屬相Al、潤(rùn)滑相六方氮化硼以及一定比例的孔隙構(gòu)成。由于Al耐鹽霧腐蝕性能差,同時(shí)大量的孔隙為腐蝕介質(zhì)提供了滲透通道,會(huì)誘發(fā)涂層內(nèi)部發(fā)生縫隙腐蝕或點(diǎn)蝕,使得涂層系統(tǒng)受到嚴(yán)重的腐蝕破壞,對(duì)飛機(jī)的飛行安全造成極大的威脅[7-9]。海上飛機(jī)長(zhǎng)期處于濕度大、鹽堿重、溫度高的惡劣環(huán)境中,多孔的可磨耗封嚴(yán)涂層腐蝕問(wèn)題亟待解決。

        本研究運(yùn)用大氣等離子和真空等離子噴涂技術(shù)制備了Al/BN、TiAl/BN兩種復(fù)合涂層,希望通過(guò)在金屬相中引入耐腐蝕金屬材料鈦,形成鈦鋁合金以提高封嚴(yán)涂層材料的耐鹽霧腐蝕性能。

        1 實(shí)驗(yàn)方法

        1.1 試樣制備

        以TC4鈦合金為基體材料,使用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生產(chǎn)的Al/BN、TiAl/BN復(fù)合粉體材料作為封嚴(yán)涂層體系的面層材料,95Ni5Al復(fù)合粉體作為粘結(jié)底層材料,通過(guò)大氣等離子噴涂技術(shù)制備了Al/BN涂層(中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所),真空等離子噴涂技術(shù)制備了TiAl/BN涂層(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)。

        1.2 鹽霧腐蝕試驗(yàn)

        鹽霧試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125-1997 NSS進(jìn)行,NaCl溶液的濃度為50 g/L,pH值的范圍為6.5~7.2,鹽霧箱的內(nèi)部溫度為35±2℃,相對(duì)濕度為95%~98%,涂層試樣的基體及周邊用704硅橡膠進(jìn)行封裝后放入JST-60鹽霧箱中,鹽霧沉積速率為 1~2 ml/h·80cm2。鹽霧腐蝕時(shí)間為 960 h。

        1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

        采用三電極體系,以涂層試樣為工作電極,以鉑電極為輔助電極,以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。研究電極與溶液接觸面積為1cm2,測(cè)試溶液為5%NaCl溶液,實(shí)驗(yàn)溫度為35±2℃。使用CHI660D電化學(xué)工作站,掃描速率為0.2mV/s。

        1.4 性能測(cè)試

        采用QUANTA 200 FEG 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂層組織進(jìn)行分析, 利用X' Pert PRO X-ray diffraction (XRD) 射線衍射儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物的物相進(jìn)行分析。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 粉體及涂層表征

        圖1為TiAl/BN及Al/BN復(fù)合粉體截面SEM形貌,如圖所示,復(fù)合粉體呈球形或近似球形,使得粉體具有較好的流動(dòng)性,確保等離子噴涂過(guò)程中送粉的連續(xù)穩(wěn)定。金屬粉末連續(xù)完整的包覆在氮化硼核心的外層。氮化硼核心是由納米氮化硼粉體通過(guò)噴霧造粒工藝獲得,自身強(qiáng)度較低,細(xì)粉間的結(jié)合力較弱,通過(guò)金屬粉體的外層包覆,使得氮化硼避免受到噴涂氣流的直接沖刷,可以較好的沉積到涂層上。

        圖1 復(fù)合粉體截面掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 1 Cross section SEM morphologies of the composite powders,(a)TiAl/BN;(b)Al/BN

        圖2 涂層截面微觀形貌: (a) Al/BN, (b) TiAl/BN; (c)為圖(b)中標(biāo)記處的能譜分析Fig. 2 Cross section SEM morphologies of the as-sprayed coatings,(a)Al/BN;(b)TiAl/BN;(c)is the EDS analysis result of the marked site in Fig. 2 (b)

        圖2 是TiAl/BN和Al/BN涂層的微觀組織SEM分析,從圖2中可以看出,TiAl/BN涂層和Al/BN涂層都具有典型的可磨耗封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)特征。對(duì)于TiAl/BN涂層,金屬相連續(xù)、完整,可保證涂層具有較好的抗沖蝕性能和較高的結(jié)合強(qiáng)度;BN核心在噴涂過(guò)程中幾乎沒(méi)有被破壞,均勻的鑲嵌于金屬相中;同時(shí)一定的孔隙使得涂層具有適中的硬度。通過(guò)背散射及能譜進(jìn)一步分析TiAlBN涂層中的金屬相成分,發(fā)現(xiàn)涂層中金屬相元素分布較均勻,其元素主要為Ti和Al。

        2.2 涂層的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

        TiAl/BN和Al/BN兩種涂層在5%NaCl溶液中的開路電位隨時(shí)間變化如圖3所示。經(jīng)過(guò)180min測(cè)試,Al/BN涂層的開路電位約為-1050mV,TiAl/BN涂層的開路電位約為-600mV。Ti的添加與合金化使得涂層的開路電位有明顯的升高(提升約450mV),涂層耐NaCl水溶液的腐蝕性能有了明顯的提高。在測(cè)試過(guò)程中,TiAl/BN涂層的開路電位隨著測(cè)試時(shí)間的變化產(chǎn)生輕微的振蕩,主要是由于涂層中存在一定的游離Al,在測(cè)試過(guò)程中與TiAl合金形成電偶對(duì),發(fā)生了選擇性腐蝕。

        涂層在5% NaCl溶液中的極化曲線如圖4所示。從圖中的陽(yáng)極極化曲線可以發(fā)現(xiàn),Al/BN涂層在-1050至-680mV之間,電流密度隨電位的增加呈拋物線性增加,當(dāng)電位高于-680mV時(shí),電流密度隨電位增加呈線性急劇增大,涂層發(fā)生較為嚴(yán)重的腐蝕。TiAl/BN涂層在電位約-800mV處開始出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象,涂層在5%NaCl溶液中有較寬的鈍化區(qū)間(約600mV),過(guò)鈍電位約為-200mV。Ti的添加與合金化使得涂層在5%NaCl水溶液中發(fā)生明顯的鈍化,有效的提高了涂層的耐腐蝕性能。

        圖3 TiAl/BN、Al/BN涂層在5%NaCl溶液中的開路電位隨時(shí)間的變化Fig. 3 Open circuit potential of the as-sprayed coatings of TiAl/BN and Al/BN in 5% NaCl solution

        圖4 TiAl/BN、Al/BN涂層在5%NaCl溶液中的極化曲線Fig. 4 Potentiodynamic polarization curves of the assprayed coatings of TiAl/BN and Al/BN in 5% NaCl solution

        2.3 涂層的鹽霧腐蝕結(jié)果

        經(jīng)960h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后Al/BN涂層及TiAl/BN涂層的表面形貌如圖5所示。Al/BN涂層發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕,表面積累了大量的白色腐蝕產(chǎn)物。相比較,TiAl/BN涂層腐蝕程度較輕,表面出現(xiàn)了少量的腐蝕產(chǎn)物。收集TiAl/BN涂層的腐蝕產(chǎn)物,經(jīng)過(guò)水洗、烘干后對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD物相分析(見圖6)。結(jié)果表明,腐蝕產(chǎn)物的主要物相為Al(OH)3和AlO。說(shuō)明涂層腐蝕主要為金屬相中Al的腐蝕。

        圖5 Al/BN涂層及TiAl/BN涂層經(jīng)過(guò)960h鹽霧腐蝕后的表面形貌Fig. 5 Free surface of the Al/BN coating and TiAl/BN coating after 960 h salt spray tests

        圖6 TiAl/BN涂層960h鹽霧腐蝕產(chǎn)物XRD測(cè)試圖譜Fig. 6 XRD pattern of the surface corrosion product of TiAl/BN coating

        3 結(jié)論

        (1)采用大氣等離子和真空等離子噴涂技術(shù)制備了Al/BN和TiAl/BN涂層,涂層具有典型的可磨耗封嚴(yán)涂層微觀結(jié)構(gòu),非金屬相BN均勻的分散在金屬相中。

        (2)電化學(xué)研究表明,Ti的添加和合金化使得涂層的腐蝕電位顯著升高,同時(shí)TiAl/BN涂層在極化曲線測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了明顯鈍化,使得涂層具有更強(qiáng)的耐腐蝕性能。

        (3)經(jīng)過(guò)960小時(shí)鹽霧實(shí)驗(yàn)后Al/BN發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕,而TiAl/BN涂層表面只發(fā)生了輕微的腐蝕;XRD分析表明TiAl/BN涂層的腐蝕產(chǎn)物主要為Al(OH)3和AlO。

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