TC4钛合金表面玻璃涂层的制备及其抗高温氧化性能表征

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钛合金因具有一些特殊性能被广泛应用于现代生产生活的诸多领域,而钛合金在热加工时会产生比较严重的氧化,不仅造成材料浪费,也会严重影响合金的机械性能及表面塑韧性,给钛合金热加工带来很大困难。因此,解决钛合金在热加工时的氧化问题很重要。本文根据玻璃涂层抗高温氧化防护机理和设计原则,设计了一种涂层玻璃粉末的配方,采用高温固相反应法在TC4钛合金表面制备了一种抗高温氧化玻璃涂层,对玻璃涂层抗高温氧化性能进行了表征。主要研究工作如下:(1)根据玻璃涂层的惰性熔膜屏蔽保护机理,以耐高温、稳定性好、润湿性好、对环境友好为玻璃涂层的设计原则,通过比较Ti O2与各类氧化物的自由能和稳定性,设计了一种配方为44.0wt.%Si O2、25.0wt.%B2O3、1.7wt.%Al2O3、10.0wt.%Na2O、7.5wt.%Ca O、6.8wt.%Mg O和5.0wt.%Ti O2的玻璃粉末。(2)采用高温固相反应法制备了硼硅酸盐玻璃粉,通过DSC测试验证了玻璃粉的软化温度较低(600℃左右),适合制备钛合金热加工用玻璃涂层。按玻璃粉:2%甲基纤维素M450水溶液粘结剂:蒸馏水溶剂=2:1:2质量配比,制备了黏度适当、环境友好、分散性好的灰色悬浮玻璃粉料浆。再用浸涂法在TC4钛合金表面制备了一层厚度约0.15~0.3mm的玻璃涂层。(3)通过氧化增重实验,以氧化增重量、氧化层厚度、表层至心部硬度来表征玻璃涂层的抗氧化防护性能.将TC4钛合金试样在650℃、750℃、850℃、950℃和1050℃保温2h后,有涂层钛合金试样的氧化增重分别比无玻璃涂层试样减小94%、93%、79%、75%和85%,有玻璃涂层试样的氧化层厚度比无涂层的分别减小30μm、55μm、75μm、250μm和270μm。有涂层钛合金表层最大硬度比无涂层的在650℃~950℃时低了HV400左右,在1050℃时低了HV800。(4)用扫描电镜观察玻璃涂层表面形貌,发现玻璃涂层随温度升高逐渐软化熔融成膜。通过XRD物相检测,发现玻璃涂层在750℃前呈非晶态,850℃~1050℃下出现Ca Mg Si2O6为主及少量的Ca B2O4或Na(Al Si3O8)等结晶相,温度越高结晶相越少;而TC4钛合金氧化物主要是Ti O2结晶相。研究表明,本课题开发的硼硅酸盐玻璃涂层在TC4钛合金加工温度下,对钛合金具有满意的抗氧化防护效果。
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