涂覆Ti-Al-Cr-Y涂层的钛合金在高温大气中的循环氧化行为

在航空发动机中，低压及高压压气机中的许多零部件由Ti-17和Ti-6242合金制造。当这两种合金暴露在温度高于500℃的空气中时，形成的氧化层主要成分为二氧化钛，保护能力较差，且氧会通过氧化层迅速扩散并溶解在基体中，导致基体表面脆化，使合金的力学性能降低而开裂。因此需要涂覆涂层来提高抗氧化性。

将Ti-6242和Ti-17合金加工成直径为15 mm，厚1 mm的圆片状试样。试样表面用4000#的SiC砂纸打磨，并用SiO2(粒径0.04 μm)的悬浮液抛光。试样在涂层沉积之前用射频氩等离子体进行表面刻蚀。然后用纯钛、纯铝、纯铬和纯镱四个靶在基体表面采用直流电的操作模式，用磁控溅射法沉积Ti-Al-Cr-Y涂层，厚度为10 μm。

研究了基体钛合金和涂覆有涂层的钛合金在600和700℃空气中循环氧化条件下的氧化行为。一个循环包括试样在高温炉内热暴露1 h，然后将试样从炉中取出，冷却10 min使试样温度降低到50℃的过程。为了确定氧化动力学曲线，每20次循环后测量试样的质量变化。当最大循环次数为1000次或存在大量氧化层脱落时，试验终止。用扫描电镜、X射线能谱及X射线衍射等方法检测涂层的微观结构和热氧化层。研究结果表明:氧化保护涂层对基体材料的附着力非常好，在600和700℃下1000次的高温热循环实验中没有发生脱落的现象。涂层为一种多相的微观组织，包括Ti(Cr，Al)2Laves相和四方晶相。在600℃氧化时，四方晶相可能是AlCr2相和r-TiAl2相，而700℃时可能形成γ-TiAl相和r-TiAl2相。与基体钛合金相比，有涂层的钛合金试样在600和700℃下氧化增重量显著减少，表明Ti-Al-Cr-Y涂层具有很高的抗氧化性能。在700℃热循环1000次后，有厚度大约为0.5 μm的连续氧化铝层生长在涂层的表面。TiAl2相在700℃更长时间暴露后溶解，由于涂层和基体之间发生了内扩散，导致一种Ti(Cr，Al)2Laves相和γ-TiAl相的两相微观组织形成。在涂层中观察到气孔和穿过涂层的裂纹。在高温暴露的过程中气孔已经出现在沉积的涂层中并且出现合并的现象，但是没有显著地导致进一步氧化，且气孔可以通过调节磁控溅射工艺参数(如沉积温度和偏离电压)来消除。然而，到达基体表面的裂纹会导致钛合金的氧化，这些由热应力引起的裂纹可能与涂层中高脆性的Ti(Cr，Al)2Laves相有关。可以通过减少脆性相的体积含量来降低开裂的可能性，例如，可以通过调节涂层中的Cr含量以确保涂层具有较高的抗氧化性能。