鈦合金因具有高強(qiáng)度、低比重等優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。目前，鈦合金的使用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是否先進(jìn)的重要指標(biāo)之一，由鈦合金制備而成的轉(zhuǎn)子盤、葉片已普遍使用于先進(jìn)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。然而，在高溫使用條件下，氧元素的擴(kuò)散滲入會造成鈦材的表面氧化，進(jìn)而嚴(yán)重影響了鈦合金的使用壽命。因此，如何提高鈦合金的抗高溫氧化性能成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

鈦合金的高溫氧化

1.1 純鈦的氧化

當(dāng)溫度在500℃以下時(shí)，純鈦的性能較為穩(wěn)定，然而隨著溫度的繼續(xù)升高，氧元素不斷滲入到鈦晶格中并與鈦基體發(fā)生反應(yīng)，在鈦材表面生成大量的金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2 氧化物。而金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2 結(jié)構(gòu)疏松且極易破裂，脫落，致使鈦材重新暴露出新鮮表面，即純鈦材的高溫氧化行為可看成為表面氧化膜的循環(huán)層狀剝落。

1.2 合金元素對鈦合金氧化性能的影響

Al、Cr、Si 等合金元素的加入不僅會改變鈦合金的力學(xué)性能，還會影響其抗高溫氧化能力。其中，當(dāng)鈦中Al 元素的含量達(dá)到一定濃度后，親氧性 Al 元素會優(yōu)先與氧發(fā)生反應(yīng)，在鈦基表面形成一層連續(xù)、致密、穩(wěn)定的Al2O3 氧化膜，進(jìn)而對基體材料起到了較好的抗高溫氧化作用。Cr 元素的存在一方面可以促進(jìn)Al2O3 氧化膜的形成，另一方面含Cr 相的互溶區(qū)可形成一定的擴(kuò)散層，當(dāng)鈦基覆蓋有Al 防護(hù)涂層時(shí)，該擴(kuò)散層可有效抑制Ti、Al 元素的互擴(kuò)散，從而延長涂層的使用壽命。

提高鈦合金抗高溫氧化性能方法

2.1合金化

合金化即通過對鈦合金的組分進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改變了鈦合金的組織形態(tài)及氧化膜形態(tài)以提高其抗高溫氧化性能。然而研究表明， 當(dāng)合金元素的加入量較小時(shí)，并未對合金的抗氧化性能起到影響，只有當(dāng)合金元素加入量較高時(shí)，才會有較好效果。但是，過量的合金元素會嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能，無法滿足航天用材的安全性能要求。因此合金化并不是理想的提高鈦材抗高溫氧化性能的方法。

2.2抗高溫氧化表面工程技術(shù)

對目前鈦合金的抗高溫氧化表面工程技術(shù)而言，根據(jù)防護(hù)性涂層與鈦基體結(jié)合方式的不同，可分為擴(kuò)散涂層與包覆涂層。擴(kuò)散涂層與包覆涂層較合金化而言，均可在有效提高鈦基抗高溫氧化能力的同時(shí)又不破壞其整體力學(xué)性能。目前常用的表面合金化方法有擴(kuò)散滲技術(shù)、熔結(jié)涂層技術(shù)、離子注入技術(shù)和預(yù)氧化、硫化、滲氮等。

擴(kuò)散滲技術(shù)：已有學(xué)者采用表面滲Al、Al-Cr 共滲、Al-Si 共滲的方法使鈦合金與滲層元素發(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng)的Ti-Al、Ti-Cr、Ti-Si 等金屬間化合物，而此類金屬間化合物在高溫氧化過程中，可向表面層源源不斷的提供Al、Cr、Si 等元素，進(jìn)而在鈦基合金表面形成連續(xù)、致密、穩(wěn)定的Al2O3 等氧化膜，對鈦基起到了很好的抗高溫氧化作用。

擴(kuò)散滲技術(shù)因其抗高溫氧化效果優(yōu)良且操作工藝簡單而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，但該方法存在耗時(shí)長，對能源消耗量巨大且易對環(huán)境造成污染等劣勢。

熔結(jié)涂層技術(shù)：與擴(kuò)散滲技術(shù)相比，熔結(jié)涂層技術(shù)更加環(huán)保與經(jīng)濟(jì)。熔結(jié)即金屬表面短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的高溫冶金反應(yīng)，通過熔結(jié)涂層技術(shù)制備而成的防護(hù)涂層可把鈦合金使用溫度提升至900℃。但是，基體與涂層間較差的相容性是該技術(shù)有待解決的問題所在。

離子注入：向鈦合金注入Cr、Nb、Si 等元素，此類元素在高溫下生成的氧化物可彌散分布于晶界，從而降低了氧在晶界的擴(kuò)散速率，提高了鈦基體的抗高溫氧化能力。但離子注入技術(shù)的注入深度太淺，對基體防護(hù)能力有限，這也正是離子注入技術(shù)的弱點(diǎn)所在。

相對于整體合金化和擴(kuò)散涂層而言，在鈦合金表面直接制備防護(hù)性涂層則更加經(jīng)濟(jì)與便捷，在高溫氧化環(huán)境下，涂層表面可形成連續(xù)致密穩(wěn)定的氧化膜，對基體材料起到較好的防護(hù)作用。根據(jù)涂層制備方法的不同，可分為熱噴涂、磁控濺射、離子鍍膜及PCD、CVD 等多種真空沉積技術(shù)。而就涂層成分則可分為MCrAlY 系列、TiAl-X 系列、NiAl 系列、鋁- 硅酸鹽涂層及搪瓷涂層等。

MCrAlY 系列涂層：該系列涂層曾廣泛作為合金的抗高溫氧化防護(hù)涂層，其中M 為Ni 或Co，是涂層的基體元素，Al 元素則可在氧化時(shí)形成連續(xù)致密的Al2O3 氧化膜，Cr 的存在可以促進(jìn)Al2O3 氧化膜的形成，Y 則可以提高氧化膜的附著力。早期的鈦合金防護(hù)涂層即把MCrAlY 粉末通過火焰噴涂的工藝方法噴射至鈦基表面所得，試驗(yàn)表明MCrAlY系列涂層可有效抑制鈦合金的高溫氧化速率，提高其抗高溫氧化能力。然而在長時(shí)期高溫加熱情況下，涂層中各元素極易與鈦基體中Ti 元素發(fā)生互擴(kuò)散，從而縮短了涂層的使用壽命。目前，學(xué)者們通過在涂層與鈦基間添加擴(kuò)散阻擋層以抑制元素的互擴(kuò)散。

TiAl-X 系列涂層：此類涂層的化學(xué)成分與鈦基體具有一定的相似性，故該類涂層與基體的相容性較好且涂層與基體間不易發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng)。在高溫氧化過程中，TiAl-X 涂層表面能快速生成Al2O3 防護(hù)膜進(jìn)而對鈦基體起到良好的保護(hù)作用。另外TiAl-X 涂層與鈦基的熱膨脹系數(shù)相近，氧化膜具有較好的粘附性。但TiAl-X 系列涂層一般由PVD技術(shù)或磁控濺射制備而成，工藝成本較高，這也在一定程度上限制了TiAl-X 系列涂層的工業(yè)應(yīng)用。