钛合金表面Ta-W涂层的制备及循环氧化行为

采用电弧离子镀（AIP）在Ti-6.48Al-0.99Mo-0.91Fe（质量分数,%）钛合金表面制备Ta-10W（质量分数,%）涂层。通过扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）分析、透射电镜（TEM）分析、电子探针分析（EPMA）,X衍射分析（XRD）,划痕及纳米压痕试验,研究钛合金基体与Ta-W涂层经900℃大气循环氧化前后的物相组成、组织形貌及性能,讨论涂层/基体的氧化行为。结果表明：沉积态Ta-W涂层连续、均匀、致密,由颗粒细小（≤50 nm）的α-Ta（W）堆积成100~250 nm的等轴晶组成,硬度为14.4~15 GPa,与基体的临界载荷为58.5 N;经900℃大气循环氧化后,钛合金表面形成带裂隙的层状Ti O2、Al2O3疏松混合氧化膜,氧化膜明显脱落;Ta-W涂层能明显提高钛合金的抗循环氧化性能,形成以β-Ta2O5为主的致密氧化膜;随着氧化的进行,氧化膜中Ti O2、Al2O3含量增加并出现Al Ta O4、Al WO4相,氧化膜始终保持完整;氧化过程中,基体中Ti、Al元素及涂层中Ta、W元素互扩散,在界面形成Al Ta2、Al2Ta3、Al3Ti、TixW1-x相,O元素扩散并固溶于基体,在近界面基体处形成厚度逐渐增加的富Ta、W、Al、O、α-Ti固溶体（稳定）区,涂层元素向氧化膜和基体扩散而被消耗为其失效的主要原因。

纯热暴露下Ta-W涂层/钛合金体系稳定性

采用电弧离子镀(AIP)在Ti-6.48Al-0.99Mo-0.91Fe (质量分数,%)钛合金表面制备Ta-10W (质量分数,%)涂层。通过真空热处理试验、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)分析、透射电镜(TEM)分析、电子探针分析(EPMA)等方法,研究纯热暴露下Ta-W涂层/钛合金体系的相组成、显微组织形貌、元素分布、界面行为等,评估了体系热稳定性能。结果表明:纯热暴露过程中,Ta-W涂层相组成无明显变化,均由多晶α-Ta(W)组成,其平均晶粒尺寸由沉积态的46 nm小幅增至750℃时的49 nm和950℃时的51 nm,涂层表现出良好的相稳定性;由于元素Ta、Ti在Ta-Ti体系中扩散系数的差异及难熔金属元素Ta、W良好的稳定性,Ta-W涂层/钛合金体系呈现出良好的界面及元素稳定性:涂层中元素Ta、W始终维持在接近沉积态含量水平,无快速扩散、固溶于基体而失效的行为,体系仅在界面形成互扩散层,无空洞、裂纹缺陷和金属间化合物的形成;由于元素互扩散的加剧及涂层元素在α-Ti、β-Ti中的固溶度差异,钛合金基体同素异晶转变温度(ATT)对体系界面和元素稳定性影响明显;纯热暴露过程中,Ta-W涂层有效厚度保持稳定、无明显变化。基于Fick定律,获得550、750和950℃时互扩散层厚度与时间的关系式。

Ta-W涂层/钛合金体系大气气氛脉冲激光烧蚀行为

采用电弧离子镀(AIP)在Ti-6.48Al-0.99Mo-0.91Fe(质量分数,%)钛合金表面制备Ta-10W(质量分数,%)涂层。通过脉冲激光加热试验模拟火药气体烧蚀工况,采用有限元温度场数值模拟、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)分析等方法,研究Ta-W涂层/钛合金体系大气气氛循环热加载烧蚀行为。结果表明:脉冲激光加热过程中,高熔点、高热导率(相比纯钛)Ta-W涂层吸收、富集热量对钛合金基体具有热障保护作用,经10~40 s加热,Ta-W涂层使加热区熔透深度从无涂层基体的190~250μm明显减少至125~180μm,非加热区平均温度从无涂层基体的350~900℃大幅降低至250~500℃。由于加热区边缘温度低、温差大、熔体流动性差,利于孔洞及低熔点Al元素富集区的形成,在循环热应力作用下,该区域易成为表面横向和纵向裂纹策源地。钛合金基体加热后熔化层成分偏析严重,形成富Al带、富Mo和Fe区,在循环热应力作用下,富Al带成为截面横向裂纹的策源地;Ta-W涂层试样加热后形成熔化层、熔合层、扩散层组成的微观组织,热时间延长而尺寸逐渐变小的Ta-W涂层颗粒散布于熔化层导致涂层元素富集于此而起到持续保护作用。由于涂层与基体元素互扩散在熔合层形成孔洞(带),在循环热应力作用下,孔洞(带)为起源于表面加热区边缘的截面纵向裂纹的扩展提供便捷路径,且随加热时间(热震次数)的增加,裂纹尺寸增大,并可导致富Ta-W元素层的剥落而失效。热熔化及循环热应力为Ta-W涂层/钛合金体系大气气氛脉冲激光烧蚀失效的主要因素。

钢表面溅射Ta-W涂层的烧蚀性能研究

为提高钢表面抗烧蚀能力,提出在钢表面利用磁控溅射技术沉积Ta-W涂层。采用激光照射的方式研究涂层和钢表面的耐烧蚀性能,采用扫描电镜对烧蚀后的涂层和钢进行形貌观察和成分分析。结果表明,在激光照射下,涂层和钢材表面烧蚀区域均发生气化、熔融凝固现象,涂层表面生成了以Ta和Fe为主的氧化物,并在热应力下形成裂纹;钢表面在激光脉冲作用下形成了冲刷形貌。涂层的烧蚀面积和烧蚀程度均小于钢,涂层对钢基体起到耐烧蚀保护作用。