一种阻燃隔热复合功能涂层性能研究

汪瑞军，鲍曼雨，马小斌

(1.北京金轮坤天特种机械有限公司 2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

0 引言

钛合金具有比强度高等优异性能，在航空、航天等高端装备中获得广泛应用。近年，为提高航空发动机的推重比、效率以及有效载荷，钛合金应用技术在航空发动机关键部件设计与研制中得到极大重视。 但在一定条件下钛合金存在起火燃烧的“钛火”问题，其燃烧的范极大，危害之严重是始料未及的，有时甚至造成航空发动机机匣烧穿。“钛火”问题已成为工程应用研究的重要方向[1]。

目前解决“钛火”问题主要有三种方法：1）更改结构或更换材料，即增加钛合金叶片叶尖和静子之间的间隙，或使用合金钢替代钛合金；2）采用阻燃钛合金，即增加一元或多元组分，制造具有阻燃性能的钛合金；3）在Ti合金表面制备阻燃涂层。国外在阻燃涂层方面的研究工作起步较早。美国NASA开展了包括12种阻燃涂层材料的研究工作，其中离子蒸发沉积铝和电镀Pt-Cu-Ni涂层具有较好的阻燃性能且对Ti合金的疲劳寿命没有影响；德国MTU航空发动机公司（MTU Aero Engines GmbH）开发出具有双层结构的阻燃、封严复合功能涂层，具有包括“钛火”防护层和封严层功能的这种涂层可应用于压气机叶片和机匣，其中叶片顶部即叶尖部位喷涂立方氮化硼涂层，机匣上根据要求喷涂不同致密程度（即具有不同孔隙）的氧化锆涂层。MTU认为该涂层体系可以有效解决高性能喷气式飞机的阻燃、密封等问题。我国在Ti合金阻燃涂层方面开展工作较晚，其中北京矿冶研究总院、中航西安航空发动机有限公司等单位研制的阻燃热喷涂涂层取得一定效果。中国农业机械化科学研究院采用微弧脉冲离子表面改性技术制备出的阻燃改性层，可以提升钛合金“Ti火”二次燃烧温度点[2-5]。

本文研究了高频脉冲微弧强化工艺制备的非晶阻燃层为粘结层，在其表面制备隔热涂层的复合功能涂层性能，重点研究了该复合功能涂层结合强度与阻燃、隔热性能，以期掌握一种兼具阻燃与隔热复合功能涂层的制备方法。

1 试验材料与制备方法

1.1 材料

Ti合金基体材料采用TC11，表1是TC11合金的力学性能；采用规格为Ф6×100mm的Ti40Zr25Ni3非晶材料作为阻燃层电极材料，表2是该材料的主要力学性能；采用ZrO2·Y2O3粉末材料作为隔热涂层材料。

表1 TC11合金的力学性能Table 1 Mechanical properties for TC11 alloy

表2 Ti40Zr25Ni3非晶材料的主要力学性能Table 2 Mechanical properties for Ti40Zr25Ni3

涂层结合强度测试选用规格为Ф25.4×6mm的Ti合金圆形试片，Ф30×3mm的圆形试片用于隔热性能测试，规格为125mm×27mm×2mm的试片用阻燃性能测试。

1.2 阻燃层与隔热层的制备方法

采用高频脉冲微弧强化工艺在Ti合金表面制备Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃层。高频脉冲微弧强化工艺是一种瞬间高频释放存储在电源中的高能量电能，在电极材料与基体材料间形成电离通道，使母材表面产生瞬间高温、高压微区，同时离子态的电极材料在微电场的作用下熔渗到母材基体中并形成微冶金强化层。表3是制备工艺参数，表4是高能等离子喷涂隔热涂层的工艺参数。

表3 非晶合金阻燃层制备工艺参数Table 3 Process parameters for fabricating burn-resistant layer of amorphous alloys

表4 高能等离子喷涂制备隔热涂层工艺参数Table 4 Process parameters for fabricating thermal barrier layer by high-energy plasma spraying

2 结果与讨论

2.1 复合功能涂层的截面形貌

图1是Ti合金表面制备Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃层的宏观形貌，无可见裂纹、夹渣等缺陷，厚度约37um左右。采用能谱分析方法对阻燃层与基体TC11材料的界面分析可知，阻燃层中主要Zr、Ti元素；基体中的Ti、Al元素有由基体向阻燃层扩散，阻燃层中Zr、Cu等元素则由阻燃层表面向基体扩散，如图2所示，表明界面处发生了元素间的相互扩散，即阻燃改性层/基体间存在熔渗扩散区，这与早期的研究结果是一致的[7]，即阻燃改性层与基体间的界面存在微冶金结合。

图1 TC11合金表面制备阻燃/粘结层Fig.1 Burn-resistant /bonding layer on TC11 alloy

图3是采用X射线衍射方法对阻燃层的相结构分析结果，可见只包含有一个宽漫散射峰和一个弱次强漫散射峰，这是典型的非晶相组成特征。图4是采用高能等离子在阻燃层表面制备隔热涂层的宏观形貌，可见Ti合金基体/阻燃间的界面清晰，无肉眼可见的气孔、污染物等缺陷，隔热涂层为典型的层状微观结构，孔隙率为15%。

图2 阻燃/粘结层与基体界面间元素扩散分析Fig.2 Analysis of elements diffusion of interface between burn-resistant/bonding layer and the substrate

图3 阻燃XRD相结构分析Fig.3 XRD analysis for burn-resistant/bonding coating

2.2 结合强度与隔热性能

依据涂层结合强度的试验方法（标准号：HB5476-91）测试了复合功能涂层的结合强度，拉伸速度为2mm/min，测试结果为平均结合强度36.3MPa，表5是测试数据。

图4 TC11表面阻燃/隔热复合功能涂层形貌Fig.4 Morphology for burn-resistant/bonding coatings and thermal barrier coatings on TC11 alloy

表5 复合功能涂层的结合强度Table 5 Bonding strength of functional composite coatings

复合功能涂层的隔热性能是采用比对法，通过计算有涂层与无涂层试样两侧温度算数平均值的差值获得的。测试过程为：采用氧燃气火焰加热试样有涂层一侧，同时对试样无涂层一侧通入室温冷却气体；采用双比色红外测温仪与K型热电偶分别实时记录两侧温度并绘出温度曲线；当涂层一侧达到预设温度后，保持温度15min后停止加热，试样冷却至室温，得到两侧温度算数平均值差值△T1，试验结束；同上述方法，对同样规格且没有制备涂层的试样进行测试，得到两侧温度算数平均值差值△T2；△T1与△T2的差值即为复合功能涂层的隔热温度。

图5是带涂层试样测试过程的实时记录结果，可见正面当火焰温度为600℃时，复合功能涂层的平均隔热温度达到了70.67℃。

2.3 阻燃性能

图5 隔热温度测试实时记录结果Fig.5 Experimental results of heat insulting temperature tests

钛合金具有α结构，表面会形成致密的具有保护作用的氧化物，在高温高压的环境中，会转变为β结构，提高了氧在钛中的溶解度。此时，氧化物中氧的平衡浓度降低，促使TiO2发生还原反应，生成低氧化物Ti3O5，由于氧化层密度的改变会导致氧化物的剥落[6,7]，大量氧加速进入反应前沿并与Ti金属发生反应，当释放出的热量超过散失的热量时，温度快速升高并达到点燃温度时发生燃烧，这是钛燃烧的基本机理。

本研究依据钛合金临界燃烧经验参数值，采用 “钛火”液滴燃烧法对复合功能涂层的阻燃性能进行测试。图6是未制备阻燃、隔热复合功能涂层的钛合金试样，可见，在350℃环境下即发生燃烧现象。图7是制备有阻燃、隔热复合功能涂层钛合金试样的阻燃试验结果，可见在750℃条件下复合功能涂层仍然具有良好的阻燃能力。

图6 无复合功能涂层试片燃烧试验结果Fig.6 Burn results of specimen without coatings

图7 有复合功能涂层试片阻燃效果Fig.7 Burn results of specimen with coatings

分析认为，“钛火”产生的必要条件之一是有足够的氧参与，采用微弧高频离子表面改性技术制备的阻燃涂层具有致密，高温状态下不会发生破裂、鼓泡等缺陷，阻断氧与钛合金的充分接触条件。另外，阻燃改性层中含有元素Cu，可以降低金属对氧吸附的作用。另外复合功能涂层在服役过程中，涂层中Ti、Cu元素会形成Ti-Cu共晶合金，在基体与二次飞溅熔滴间的界面上会形成铜含量高出2-4倍的富Cu阻隔层，有效抑制了钛合金的氧化过程，起到阻燃作用。

3 结论

本文采用微弧脉冲离子表面改性技术与高能等离子喷涂工艺制备了具有阻燃特性的Ti40Zr25Ni3非晶材料层和具有隔热特性的YSZ隔热一体化复合功能涂层，重点研究了该复合功能涂层的隔热能力、阻燃特性以及结合强度等关键性能。

（1）研究表明，采用微弧脉冲离子表面改性技术与高能等离子喷涂工艺制备的Ti40Zr25Ni3非晶材料阻燃层与YSZ隔热复合功能涂层具有较高的结合强度，平均结合强度达到36.3MPa。

（2）阻燃改性层与基体间的界面存在微冶金结合的特征大大提高了涂层使用的可靠性。

（3）当正面火焰温度为达到600℃时，制备有复合功能涂层试样平均隔热温度达到了70℃。

（4）无复合功能涂层的试样在350℃条件下即发生燃烧现象，而制备有阻燃、隔热复合功能涂层试样在750℃条件下仍然具有良好的阻燃能力。