催化剂及Al对TiAl合金表面Si-Al-Y共渗层组织结构的影响

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文章编号:1001-9731(2014)09-09022-05

催化剂及Al 对TiAl 合金表面Si-Al-Y 共渗层组织结构的影响

?

李涌泉,谢发勤,吴向清,姚小飞

(西北工业大学航空学院,西安710072)

摘一要:一通过1050?下Si-Al-Y 扩散共渗4h 的方法在TiAl 合金表面制备了Y 改性Si-Al 共渗层,采用SEM 二EDS 和XRD 分析了渗剂中催化剂(AlCl 3

6H 2O )

及Al 含量对共渗层组织及相组成的影响.结果表明,催化剂含量为1%(质量分数)时未形成完整的Si-A-Y 共渗层;当催化剂含量为3%,5%和8%(质量分数)时所形成的共渗层均具有多层复合结构,共渗层的内层都是由TiAl 2和γ-TiAl 相组成,互扩散区为富Al 的TiAl 相;随催化剂含量的增加共渗层外层和中间层的相组成都发生了改变;催化剂含量为3%(质量分数)时所制备的共渗层外层为大量的(Ti ,X )5Si 4

(X 表示元素Nb 和Cr )和少量的(Ti ,X )5Si 3相;催化剂含量为5%,8%(质量分数)时所制备的共渗层外层分别为(Ti ,X )5Si 3和TiSi 2相,中间层均为(Ti ,X )5Si 4及(Ti ,X )5Si 3相,由于TiSi 2外层具有良好的抗高温氧化性能,因此催化剂含量为8%(质量分数)时适合用于Si-Al-Y 共渗层的制备.Al 含量对共渗层的相组成无显著影响,但改变了共渗层各层厚度.

关键词:一TiAl 合金;Si-Al-Y 共渗层;扩散渗;渗层结构

中图分类号:一TQ174

文献标识码:A

DOI :10.3969/j .issn.1001-9731.2014.09.0051一引一言

TiAl 基金属间化合物(

简称TiAl 合金)由于具有低密度二高比强度而被认为是一种极具应用潜力的高温结构材料,其在高温(800?)下具有优异的力学性能[1-3]

,如果将其应用到发动机上,能够较当前的超级

合金减轻50%的质量[4]

.然而,该合金高温抗氧化性

能不足,虽然经过真空等离子喷涂[5]二激光表面合金

化[6]二渗氮[7]

等多种表面改性后该合金的高温抗氧化

性能已有了显著的提高,但仍然无法满足高温结构材料的使用要求.

硅化物涂层密度低二熔点高二热稳定性好,适合用于高温结构材料的高温抗氧化防护.但单一的硅化物涂层由于本身脆性而导致其内易出现裂纹,同时氧化时涂层内会产生较大的内应力,致使表面氧化膜剥落而失去保护性,因此需要添加其它元素对其进行改

性[8]

.已有研究表明,多元共渗技术能赋予金属表面更高的性能[9]

,而Al 二Y 等活性元素在改善涂层致密

性二提高涂层抗剥落能力及与基体的结合力等方面均有显著效果[

10-11]

.扩散渗工艺中被渗元素的卤化物分压是其主要影

响因素,在一定温度下分压的大小是由渗剂的组份决定

的[12]

,因此本文采用扩散渗工艺在TiAl 合金表面制备

-Y 共渗层,探讨催化剂(AlCl 3 6H 2O )

及Al 含量的变化对Al-Si-Y 共渗层组织和结构的影响.

2一实一验

2.1一实验材料

采用真空感应悬浮熔炼方法制备了名义成分为

Ti-41Al-2.5Nb-1.2Cr (原子分数,%)

的TiAl 基合金锭,为保证合金的成分均匀性,铸锭被反复熔炼4次并进行均匀化热处理.采用线切割的方法从母合金中切取25mm?20mm?3mm 的试样,经80~1000#SiC 砂纸逐级打磨,然后丙酮超声波清洗后烘干备用.2.2一共渗层制备

共渗层的制备在箱式电阻炉内进行,渗剂组份如表1所示,混合后经4h 的球磨细化.

表1一共渗层的制备工艺

Table 1Com p osition of p ack mixtures and the co-de p ositional condition em p lo y ed

Com p osition

/wt%Si

Al

Y 2O 3AlCl 3 6H 2O Al 2O 3

Tem p erature

/?

Holdin g time

/h

10

5,101

8Bal.1050410101

1,3,5

Bal.

1050

一一将试样埋入装有渗剂的刚玉坩埚中,

用高温粘结剂密封,然后将坩埚放入箱式电阻炉内加热,以

209

02014年第9期(45)

卷?

基金项目:陕西省自然科学基础研究计划重点资助项目(2014JZ012)

收到初稿日期:2013-07-27收到修改稿日期:2014-01-25通讯作者:谢发勤,E-mail :f q xie@nw p u.edu.cn

作者简介:李涌泉一(1985-)

,男,西安人,博士,师承谢发勤教授,从事材料腐蚀与防护研究.

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文章编号 : 1 00 1-9 7 3 1 ( 20 1 4) 0 9-0 9 0 2 2-0 5 09022 卷 2 0 1 4 年第 9 期 ( 45) 催化剂及 Al 对 TiAl 合金表面 Si-Al-Y 共渗层组织结构的影响 李涌泉 , 谢发勤 , 吴向清 , 姚小飞 ( 西北工业大学 航空学院 ,西安 7 1 00 7 2 ) ? SEM? EDS 和 XRD 分 析 了 渗 剂 中 催 化 剂 ( AlCl 3 及 Al 含量 对 共 渗 层 组 织 及 相 组 成 的 影 响 . 结 6 H 2 O) 果表明 , 催化 剂 含 量 为 1 % ( 质 量 分 数) 时未形成完整 的 Si-A-Y 共渗层 ; 当催化剂含量为 3 % , 质 5 %和 8 %( 量分数 ) 时所形成的共渗层均具有多层复合结构 , 共渗 层的内层都是由 TiAl 2 和 γ 互扩散区为 -TiAl 相 组 成 , 富 Al 的 TiAl 相 ; 随催 化 剂 含 量 的 增 加 共 渗 层 外 层 和 ( 和少量的( 催化 X 表示元素 Nb 和 Cr ) Ti , X) 5 Si 3 相 ; ( ) 剂含量为 5 % , 质量 分 数 时 所 制 备 的 共 渗 层 外层 8% 分别为 ( 中间层均为 ( Ti , X) Ti , X) 5 Si 3 和 TiSi 2 相 , 5 Si 4 及( 由 于 TiSi 2 外 层 具 有 良 好 的 抗 高 温 Ti , X) 5 Si 3 相 , 成无显著影响 , 但改变了共渗层各层厚度 . 构 氧化性能 , 因此催化剂含量为 8%( 质 量 分 数) 时适合 用于 Si-Al-Y 共渗层的制备 . Al 含量对共渗层的相组 关键词 : 扩 散 渗; 渗层结 ?TiAl 合金 ; Si-Al-Y 共 渗 层 ; DOI : 10. 3 9 6 9/ issn. 1 00 1-9 7 3 1 . 2014. 09. 00 5 j. 中图分类号 : ?TQ1 7 4 文献标识码 : A 中间层的相组成都发生 了 改 变 ; 催化剂含量为 3 %( 质 量分数 ) 时所制备的共渗层外层为大量的( Ti , X) 5 Si 4 摘?要: ? 通过 1 0 5 0 ? 下 Si-Al-Y 扩散共渗 4 h 的方 法在 TiAl 合金表面制备了 Y 改性 Si-Al 共渗层 , 采用 6] 7] ? 化[ 渗氮 [ 等多种 表 面 改 性 后 该 合 金 的 高 温 抗 氧 化 性能已有了显著 的 提 高 , 但仍然无法满足高温结构材 料的使用要求 . 于高温结构材料的高温抗氧化防护 . 但单一的硅化物 涂层由于本身脆 性 而 导 致 其 内 易 出 现 裂 纹 , 同时氧化 时涂层内会产生 较 大 的 内 应 力 , 致使表面氧化膜剥落 而失去 保 护 性 , 因此需要添加其它元素对其进行改 8] . 已有研究表 明 , 性[ 多元共渗技术能赋予金属表面 9] , 更高的性能 [ 而 Al ? Y 等活性元素在改善涂层致密 性? 提高涂层抗 剥 落 能 力 及 与 基 体 的 结 合 力 等 方 面 均 1 0- 1 1 ] . 有显著效果 [ 硅化物涂层密 度 低 ? 熔 点 高? 热 稳 定 性 好, 适合用 1 2] , 的[ 因此本文采用扩散渗工艺在 TiAl 合金表面制备 探讨催化剂 ( 及 Al 含量 Si-Al-Y 共渗层 , AlCl 3 6 H 2 O ) 响因素 ,


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