TiAlSiN/γ-TiAl体系900℃长期循环氧化及互扩散行为研究

【作者】 章凯； 辛丽； 马天宇； 朱圣龙； 王福会；

【机构】 中国科学院金属研究所材料表面工程研究部； 中国科学技术大学材料科学与工程学院； 沈阳工业大学材料科学与工程学院； 东北大学材料科学与工程学院；

【摘要】 γ-TiAl基合金重量轻、强度高、抗高温氧化性能好,已应用于涡轮发动机叶片以及赛车等高档汽车的涡轮增压器叶轮上。虽然γ-TiAl基合金的Al含量高达约50 at.%,但是在800℃及以上温度长期服役时,其表面不能形成保护性氧化铝膜,抗氧化性能明显下降。表面预处理或施加防护涂层是提高γ-TiAl基合金长期抗高温氧化性能的有效途径。本文采用多弧离子镀方法分别在Ti45Al2Cr2Nb、Ti45Al2Nb2Mn和TiAl合金表面制备了TiAlSiN涂层,研究了长期热循环过程中涂层氧化行为以及TiAlSiN/γ-TiAl界面元素互扩散行为。研究结果表明,沉积态TiAlSiN涂层为面心立方的B1-NaCl结构。Si部分固溶在TiN晶格中,部分形成了Si₃N₄,得到nc-Ti（Al,Si）N/a-Si₃N₄纳米复合结构的TiAlSiN涂层。在900℃环境中经过1000次循环氧化,样品表面均未发现明显剥落,涂层表面形成了薄且致密的双层氧化膜。其外层为薄而连续的α-Al₂O₃,内层为TiO₂细晶。长时间氧化后,Si在TiO₂层中有明显富集。说明Si促进Al选择性氧化,同时抑制了TiO₂晶粒的长大。经过1000小时的氧化,在TiAlSiN涂层与γ-TiAl合金界面发生了互扩散,三种合金中均形成了具有分层结构的互扩散区,由外到内依次为TiN,Ti₂AlN和Ti₅Si₃。TiAlSiN/Ti45Al2Nb2Mn体系中观察到Mn元素在Ti₅Si₃层中富集,TiAlSiN/Ti48Al2Cr2Nb体系中观察到Cr元素在Ti₅Si₃层中富集。对于TiAlSiN/TiAl体系,互扩散过程中由于可肯达尔效应,在Ti₅Si₃形成了孔洞。孔洞的形成弱化了涂层与合金之间的结合。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算了Ti₅Si₃中氮元素的固溶度,并用电子能量损失谱对Ti₅Si₃层中氮元素进行定量测量。结果表明氮元素在Ti₅Si₃层中以间隙固溶体形式存在,计算得到Ti₅Si₃中氮元素的固溶度为11.1at.%,由电子能量损失谱测得Ti₅Si₃层中氮元素含量为18.03at.%,计算得到的固溶度与实验测量的基本一致。综上所述,在γ-TiAl合金表面制备TiAlSiN涂层,能够明显提升其在900℃环境长期服役过程中抗氧化性能。原因在于涂层中的Si一方面促进了Al选择性氧化,形成了致密的Al₂O₃氧化膜,同时抑制了TiO₂的生长。氮原子间隙固溶在TiAlSiN/γ-TiAl界面原位生长的Ti₅Si₃内。更多还原