毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
1.课题研究的背景和意义
TC4（Ti-6A1-4V）钛合金于1954年由美国研制成功，是世界上开发最早、应用最为广泛的（α β）型钛合金种类。它拥有强度高、耐热性好、耐蚀性好以及较好的机械加工性能、生物活性等，所以在航空、航天、船舶、化工以及兵器领域得到非常广泛的应用[1]。自从该合金出现以后，对它的研究一直持续不断。由于对其长时间的深入研究，所以其加工技术现在已经较为成熟。目前，TC4钛合金广泛应用于发动机压气机等耐热零件，其长时间工作温度一般低于350℃。随着对发动机要求的提高，工作温度也会提高。然而在高温氧化条件下，由于TC4合金中铝元素含量较低，表面无法形成连续的A12O3保护膜，而TiO2本身组织结构疏松，氧元素易于进入合金内部，破坏合金的力学性能[1]。所以尽管TC4钛合金具有较好的综合性能，应用广泛，但抗高温氧化性差限制了其在航天领域中的应用[2]。为了提高钛合金抗高温氧化性能，国内外学者做了广泛的研究，主要方法包括表面氧化处理、表面涂覆处理等。周慧等[3]采用微弧氧化在Ti-6Al-4V合金表面制备致密的微弧氧化膜，研究结果表明该涂层可以有效提高Ti-6Al-4V合金抗高温氧化性能的影响；Kim等[4]采用EB-PVD方式在TiAl合金表面制备由不同比例Al和Y组成的共沉积层，研究结果表明该共沉积层可以有效地提高合金的抗高温氧化性能；杨婧[5]等采用冷喷涂的方法在γ-TiA1合金表面制备出TiAl3-A1复合涂层，研究结果表明该涂层有效提高了钛合金表面的抗高温氧化性能；茹强[6]等人运用电弧离子镀技术，在钛合金表面上制备TiAlN合金涂层，研究结果表明涂层在800℃氧化过程中出现了明显的择优氧化现象，起到了提高抗高温氧化作用。综上可知，涂层制备是一类可以有效提高钛合金抗高温氧化性能的方法，具有能量高，成本低，设备和工艺简单的特点，相关研究对提高钛合金表面抗高温氧化性能具有重要意义。
2.国内外研究现状分析
在钛合金表面抗高温氧化涂层制备方面的工作，目前研究和应用较多的方法主要有激光熔覆[5]、激光表面合化[7]、化学气相沉积（CVD）[8]、物理气相沉积（PVD）[9]、离子注入[10]、离子氮化[11]、微弧氧化[12]、热喷涂等[13]，这些涂层制备技术对钛合金的抗氧化性能虽都能起到一定的改善作用[14]。
Lee等人[15]采用空气等离子喷涂在TiA1合金上形成A1-21Ti-23Cr涂层，涂层具有孔隙率低和结构致密的特点，能部分阻挡氧原子在氧化层的扩散；Tian等人[16]采用等离子喷涂和激光重熔在TiAl合金上制备MCrAIY涂层来减少氧原子的扩散通道，提高高温氧化过程中的抗氧化性；但A1-21Ti-23Cr涂层和MCrAIY涂层的化学稳定性差，涂层在高温下易剥落会降低其使用寿命。Matecka等人[17]通过磁控溅射在TiA1合金上制备A12O3涂层提高抗氧化性，结果表明涂层能有效降低TiA1合金的氧化速率。Gao等人[18]通过电泳沉积在TiA1合金上制备了A12O3-Y2O3复合涂层，复合涂层抑制了Ti的向外扩散、促进了Al的选择性氧化，显著提高了TiAl合金的抗氧化和抗鳞片剥落性，但Y2O3涂层的高孔隙率和微裂纹会导致陶瓷涂层的抗氧化性降低。以上表面改性的涂层或多或少的存在某些缺陷，还不能完全满足大批量的生产使用要求。因此成本低，工艺简单的机械涂覆技术[19-21]成为了一种研究趋势。
目前，研究者们发现铝是提高钛及钛合金抗高温氧化性最重要且最有效的元素。高温下，铝被氧化成α-A2O3，而α-Al2O3高温稳定，其氧化膜致密且与基体黏附性好，生长速度缓慢[22]。因而，增加钛合金的Al含量，氧化时可以增加合金表面氧化膜中Al2O3的比例，从而增加表面氧化膜的致密性和黏附性，提高氧化膜的高温防护性[23-26]。图1为Ti-Al二元相图，Ti中加入Al，可降低Ti的熔点且提高β转变温度，在室温和高温都能起到强化作用。当Al的添加量较小（12at.%）时，室温下Al原子以置换方式存在于α相中。当Al的添加量超过α相的溶解度极限后，合金中便会出现Ti-Al金属间化合物，如α2-Ti3Al、γ-TiAl、TiAl2和TiAl3。Ti-Al系金属间化合物因其密度小、高温强度高、抗氧化性好及刚性好等优点，在航空工业中表现出极大的应用潜力[27,28]。因此，本课题在研究中选择在TC4钛合金表面制备Ti-Al涂层。因为Ti-Al涂层与钛及钛铝合金成分相近，因此涂层与基体间相容性好，热膨胀系数差异小，这种特性能够在提高抗高温氧化性能的同时降低涂层与基体间的互扩散，还可以减少涂层的开裂与剥落问题。
图1 Ti-Al二元相图
Nb也是提高钛及钛合金室温及高温性能有益的合金元素，特别是在提高抗高温氧化性能方面作用明显。图2为Ti-Nb二元合金相图。由于Nb具有与β-Ti相同的晶格类型，因而能够与β-Ti以任意比例无限互溶[29,30]。Nb以置换的方式溶入β-Ti中，并且产生较小的晶格畸变，因此Nb添加在强化钛合金的同时，可保持其较高的塑性。
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