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航空航天工程用钛合金棒钛合金管表面工程技术研究概述

发布时间:2022-09-23 05:10:28 浏览次数 :

航空航天技术是高度综合的现代科学技术,也是国家最高工业水平的体现之一。航空航天器在运行过 程中需克服重力,且在高温、高速等 复杂环境中服役,因此,该领域部件 的轻质化要求非常高。钛合金具有 高比强度、低密度的优点,可在室温 到中高温环境服役,是航空航天零件 应用的重要材料[1–2]。飞机/直升机 的各类框、梁、机翼壁板、桨毂等[3], 现役航空发动机的风扇/压气机转 定子、压气机机匣、中介机匣等[4–5], 航天用容器[6]、承力结构、紧固件[7] 等采用钛合金材料制造,可谓应用广 泛。与此同时,相比结构钢或镍基高 温合金,钛合金也存在硬度低、耐磨 性差、高温氧化抗力差等问题,表面 应力集中敏感导致的机械疲劳问题 (后简称疲劳)也较突出。综合来说, 航空航天领域的钛合金零件长寿命 高可靠服役需要克服3大问题—— 磨损、腐蚀和疲劳。

3大问题均为表面工程问题。 为此,基于钛合金材料,国内外学术 与工业领域开展了大量表面工程技 术的基础和应用研究,目的是提高钛 合金材料及零件的耐磨性、抗氧化性 和疲劳抗力,最终实现涂层在钛合金零件的可靠应用。以下将分节对3 大类航空航天钛合金表面工程技术 研究进展进行逐一探讨。实际上,钛 合金还具备良好的生物相容性,被应 用于医学植入物,这方面表面工程技 术研究不在本研究讨论之列。特殊地, 航空发动机钛合金叶片/机匣定转子 摩擦部位还可能涂覆封严涂层,以保 证气流密闭性提高气动效率,这是发动机单一部位的使用需求,本研究不 专门论述。

1、钛合金耐磨损涂层

钛合金硬度低、耐磨性较差是 工业界共识,然而,为轻量化和耐 室温腐蚀的需求,钛合金零件较多 地应用于可能发生摩擦磨损的环境 下,比较典型的应用为钛合金起落 架活塞杆[8]。工业界采用各种手段 将硬质涂层镀覆在钛合金表面,形 成“硬壳软芯”结构,同时满足耐磨和受载的需求。

1.1沉积、喷涂涂层

采用物理方法在较软的钛合金 表面制备硬质涂层,是国内外工程界 公认的耐磨方法。Hong等[9]利用 电火花沉积技术在钛合金TC11表 面镀覆TiN涂层,通过厚度、TiN含 量和空隙率等分析了工艺参数对涂 层微观结构和耐磨性的影响,获得了 优化沉积工艺和涂层磨损失效机制。 在TC4基体表面,曹鑫等[10]采用物 理气相沉积的方法制备了TiN/Ti梯 度涂层,分析了梯度涂层结构在沙尘 冲蚀损伤的影响,发现TiN∶Ti=1∶3 时,实现强韧性匹配,耐冲蚀性能最 佳。Richard等[11]利用热喷涂法在钛 合金表面制备ZrO2–Al2O3–TiO2纳米 陶瓷涂层,该涂层相比单一ZrO2涂层 具有更佳的摩擦系数、耐磨性和耐蚀 性。在VT6钛合金表面,Koshuro等[12] 采用等离子喷涂氧化铝结合后续微 弧氧化方法制备金属氧化物涂层,硬 度提高到1640HV。Liu等[13]利用 爆炸喷涂方法在Ti–Al–Zr合金表面 制备了HV1800(压头载荷5g)WC– Co涂层,在25~400℃的较宽温域提 高了微动疲劳性能。Pawlak等[14] 利用反应电弧沉积制备Ti–C–N底 层后利用磁控溅射制备WC–C面层, 使得TC4钛合金耐磨性提高94%。 王俊等[15]采用等离子喷涂在钛合金 表面制备氧化物涂层,接着采用激光 熔覆方法提高了氧化物涂层硬度。 部分涂层结构如图1所示[9,11,14]。

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1.2激光熔覆涂层

预涂粉末混合干燥后进行激光 熔覆的方法在钛合金表面产生硬质 耐磨涂层,同样是国内外研究的热 点。Mohazzab[16]和Wu[17]等采用激 光表面处理方法在纯钛或钛合金表 面制备了TiC和Ti–Si硬质层,硬度可 达到1000HV0.1以上,以提高硬度和耐 磨性。Wang等[18]在TC4合金表面制 备了耐磨性能更佳的精细片层结构纯 钛涂层,认为激光熔覆过程的细晶强 化作用是提高耐磨性的主要原因。高 霁[19]、Zhao[20]、戈晓岚[21]、蒋松林[22]、 李春燕[23]、林沛玲[24]、刘丹[25]和刘 庆辉[26]等分别在钛合金表面制备 CBN、Ti–O–N、Ti–Al–Nb、WC–Co、 Ti–Si–C、Ti–B或多元素复合(如掺 Ni)硬质耐磨层,以引入更高的显微 硬度和摩擦磨损性能。Ye[27]、任佳[28] 和相占凤[29]等在粉末中分别加入碳 纳米管和h–BN(六方氮化硼),在涂 层中形成了软硬混合的相结构,起到 了良好的耐磨减磨性能。以上研究 中,部分采用了脉冲能量较大的脉冲 激光器(如Nb–YAG),有的采用了连 续的光纤激光器。该类涂层的共同 特点是具有熔覆区–结合区–热影 响区–基体等多层过渡结构。为分 析涂层种类带来的表面硬度梯度差 别,将部分文献报道的涂层特性列入 表1[17–19,21–24,27–28,30]。

1.3渗层与镀层

沈志超等[31]采用无氰镀铜方法使钛合金TC4表面摩擦系数由0.52 降低到0.38。田晓东等[32]利用辉 光离子渗在TC4钛合金表面形成 MoS2–Mo渗层,表层减磨,次表层硬 化,形成硬度梯度结构。Zhao等[33] 在激光选区熔化制造的钛合金零件 表面进行气体渗氮,使其纳米硬度从 5.2GPa提高到13.3GPa,并降低了摩 擦系数。此外,有些研究采用复合 处理来提高钛合金耐微动磨损性能。 李瑞冬等[34]认为喷丸+CuNiIn涂层 可以改善微动磨损性能。刘道新等[35] 采用离子渗氮后喷丸的方法,更好地 提高了TC4合金抗微动磨损和疲劳 性能。

1.4钛合金耐磨损涂层技术展望

从以上文献分析,耐磨涂层的发 展存在以下几个趋势:(1)多元、多 工艺复合处理,利用制备工艺特点, 制造多元或多层复合结构,在保障涂 层硬度的同时,增加韧性,实现强韧 化匹配;(2)加强涂层力学性能设 计,通过计算仿真手段,获得外载下 内应力低、结合力好且结构可靠的耐 磨涂层体系。另外,工业界应在保障 涂层结构分析的基础上,加强涂层的 模拟服役性能试验,在实践中获得真 知,加快研究结果应用。

2、钛合金抗氧化和阻燃涂层

在室温下,钛合金表面可以形成 致密的氧化膜,故具有良好的室温耐 腐蚀性能。部分航空航天器使用的钛合金零件需要在中温甚至高温下 使用,而该条件下形成的氧化膜是多 孔的TiO2,无法有效抵御氧原子向 内扩散。另一方面,钛合金的燃点低 于熔点。当航空发动机高速运动的 钛合金零件因某些原因(如变形、断 裂等)发生位移时,部件间相对运动 (如转定子)高速摩擦生热可能点燃 钛合金而发生钛火事故,严重危及航 空航天器安全使用。因此,国内外积 极开展了钛合金抗氧化涂层和阻燃 涂层的研制。通过两类涂层改变钛 合金表面氧化和温升机制是一个可 靠方法。

2.1抗氧化涂层

Du等[36]首先制备微弧氧化 TiO2膜,接着采用磁控溅射方法在膜 表面镀覆纯铝,最终利用阶梯式扩散 热处理提高了上述两层的冶金结合; 该方法制备的复合涂层(主要成分α– Al2O3)具有良好的阻氧扩散能力, 在973~1073K条件下显著降低了钛 合金的氧化增重。Maliutina等[37]采 用激光熔覆方式在TiAl合金表面制 备Ti48Al2Cr2Nb涂层,在700~900℃ 氧化过程中,其中Nb和Cr抑制了 TiO2的生长,涂层表面形成以Al2O3 为主的多层氧化膜。在工业纯钛表 面,Shugurov等[38]采用直流磁控溅射制备了Ti1–x–yAlxTayN涂层,该涂层 提高了850℃氧化抗力,但无法提高 950℃氧化性能,随着Ta元素含量增 加,950℃氧化性能逐渐变差。Yin[39] 的研究表明,LaB6的适度添加可以细 化激光熔覆TiC+TiBx涂层,提高氧 化性能。Yu等[40]研究了不同MoO3 含量的玻璃陶瓷涂层(硼铝硅酸盐微 晶玻璃)在850~1050℃温度范围内 沉积在TA2工业纯钛上的抗氧化行 为,认为富Mo层起到良好抗氧化效 果。Zhang[41]、汝强[42]和陈倩[43]等采 用电弧镀或离子镀方法在钛合金表 面制备含铝涂层,单晓浩等[44]采用 激光熔覆制备Nb–Al–Ti涂层,利用 Al2O3良好的阻氧扩散能力提高钛合 金氧化抗力。除了以上的涂层技术 外,表面改性方法也应用于钛合金抗 氧化。Kanjer等[45]在纯钛表面采用 WC珠、Al2O3珠和玻璃珠进行超声 喷丸,降低了700℃/100h和3000h的 氧化增重,认为喷丸样品形成的连续 富氮层起到了阻氧扩散避免剥落分 层的作用;He等[46]利用激光喷丸在 Ti2AlNb表面产生细晶层和高位错密 度,提高了720℃氧化性能。部分涂 层结构如图2所示[36–38]。

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2.2阻燃涂层

针对钛火问题,Anderson等[47]提出物理气相沉积Pt/Cu/Ni复合涂层, 王长亮等[48]采用热喷涂铝涂层,利用 涂层元素良好的导热性避免钛合金零 件局部温升。Freling[49]和Kosing[50]等 提出采用ZrO2涂层用于阻燃,则利 用了ZrO2较低的热导率。Li等[51] 采用Ti–Cr和Ti–Cu等多元金属涂 层,通过涂层燃烧不敏感实现阻燃。

近年来,钛合金阻燃涂层的一个 研究热点是多层结构。弥光宝等[52]提 出热喷涂方法制备YSZ+NiCrAl-B. e复合涂层,实现其临界着火氧浓度 提高至钛合金基体的2.3倍,YSZ产 生了良好的阻隔热量传输的作用。 汪瑞军[53–54]、曹江[55]和傅斌友[56]等 提出微弧离子表面改性和热喷涂工 艺技术在TC11基体上制备复合阻 燃涂层,分别利用Ti–Zr非晶和YSZ 实现吸收能量和隔热,部分涂层结构 如图3所示[52,56]。

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2.3钛合金抗氧化和阻燃涂层技术展望

从以上文献看,抗氧化涂层的主 要目的是阻氧扩散,而阻燃涂层在 阻氧扩散的基础上,还需要实现隔热 和能量吸收。那么,对于上述涂层的 发展要求一般为:(1)具有良好结合 力;(2)具有包覆性、连续且具有一 定厚度的阻氧扩散层(如α–Al2O3、TiN等);(3)具备氧化层稳定成分 (如富Mo层),使得氧化层形成后能 够保持稳定,减少和避免剥落或分 层;(4)在工艺和成分控制上,尽可 能减小孔洞,避免氧原子直接快速进 入基体;(5)向多元、多层结构发展, 同时实现吸收能量和隔绝热量等多 重目的。

3、钛合金抗疲劳表面改性

在满足航空航天器轻量化需求 的同时,钛合金零件还需要满足长寿 命与高可靠性需求,这就要求钛合金 零件具有良好的疲劳抗力。然而,钛 合金是种典型的难加工材料,加工过 程刀具可能发生粘着磨损使得表面 应力复杂,加之其导热性较差导致局 部温升,因此钛合金零件加工后表面 完整性控制困难。工业界大量使用 抗疲劳表面改性(或表面形变强化技 术,Surfacemechanicaltreatment)来提 高钛合金零件表面完整性状态,进而 实现长寿命高可靠性要求。在抗疲劳 表面改性中,机械喷丸(Shotpeening) 和激光冲击强化(激光喷丸)(Laser shockpeeningorLaserpeening)结构 适应性强,被业界广泛研究。部分适 应特殊结构的表面强化工艺技术, 如适应孔结构的冷挤压强化(Cold expansion)和适应焊接结构的超声喷 丸强化(Ultrasonicimpacttreatmentor Ultrasonicimpactpeening),也开展了 系列研究。

3.1机械喷丸

机械喷丸对表面完整性的影响 主要为表面形貌、表层组织性能与残 余应力。Ma等[57–58]利用离心式喷 丸机研究了Ti1023钛合金大尺寸弹 丸喷丸后的梯度组织。Unal等[59]对 纯钛进行高能喷丸,分析了具有更高 纳米硬度的形变超细晶组织。Wen 等[60]对TiB+TiC增强钛基复合材料 的喷丸试验结果表明,增强相和基体 界面由于喷丸挤压作用产生纳米结构和高位错密度。Yao等[61]对TB6 合金表面完整性的研究认为铣削+ 抛光+喷丸+抛光工艺可获得最佳 表面形貌、残余应力和显微硬度状态 (即表面完整性状态),最大程度提高 构件疲劳性能。高玉魁[62]、宋颖刚[63] 等分析了喷丸对TC4和TC21合金 组织结构的影响,认为表层应变硬化 和宏观残余压应力是喷丸强化的重 要原因。冯宝香[64]和苏雷[65]等分 别从试验和数值模拟入手研究了喷 丸对钛合金残余应力的影响。部分 文献报道了喷丸强化层的金相,对比 如图4所示[59,62,66]。

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机械喷丸的主要作用是提高钛 合金构件疲劳性能,在工艺应用方 面,国内学者开展了大量研究。由于 喷丸后表面粗糙度升高可能会影响 叶片气动效率,Shi等[67]发现喷丸后 进行光饰处理能够降低表面粗糙度, 更好地提高疲劳性能。戴全春等[68] 采用喷丸+电磁场复合处理技术, 使TC11钛合金最大残余压应力提高 了7.7%,疲劳强度提高了33%。王强 等[69]研究了TC18合金孔结构挤压强 化对表面完整性和疲劳性能的影响, 认为对于该合金孔结构,喷丸较冷挤 压疲劳增益幅度更大,达到3倍以上。 张彩珍[70]和徐鲲濠[71]等对钛合金叶 片残余应力与变形情况的研究表明, 残余压应力是产生整体形变的主要 原因,而采用预变形和校正方法可以 解决叶片整体变形问题。邓瑛[72]和尚建勤[73]等认为应根据壁厚区分钛 合金零件喷丸要求以实现工艺构件 匹配。杜东兴等[74]研究表明喷丸 对吹砂–超音速火焰喷涂TC21合 金零件的疲劳性能弱化具有弥补作 用。喷丸参数对TC4[75–77]、Ti60[78]、 TC18[79]等合金疲劳性能影响研究认 为,在一定服役周期后喷丸可以进一 步补充表面强化层,延长服役寿命。 张少平等[66]对比了弹丸对TC17合 金疲劳性能的影响,认为玻璃丸喷丸 疲劳增益幅度最大。

3.2激光喷丸(激光冲击强化)

Che等[80]对TC21钛合金进行高 能激光强化,强化后钛合金表面硬度 提高16%并且粗糙度Ra小于0.8μm。 Wang等[81]对于TC6激光强化研究认 为该工艺产生的强化层具有良好的热 稳定性。

残余压应力场深度大是激光喷丸与机械喷丸的重要差别。Zhang 等[82]认为只有在较大的残余压应力 作用下,疲劳裂纹扩展才会受到抑 制;Sun等[83]从数值模拟角度分析 了残余压应力对裂纹扩展的阻碍作 用;李启鹏等[84]建立了支持向量 机理论的残余应力松弛模型;Shi 等[85]研究了3mm薄壁钛合金焊接 结构激光喷丸,发现激光喷丸改变了 热影响区的应力状态,产生深层残余 压应力场,使疲劳强度提高了19%。 为了对比喷丸与激光强化的表面完 整性特征差别,将部分文献报道的表 面形貌和残余应力场特征分别列入 表2[60–61,64,76,84,86]和图5[86]。

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疲劳性能的增益作用是激光喷 丸研究的根本目的。Luo等[86]对比 了激光/机械喷丸对TC4钛合金4 点弯曲疲劳性能的影响,并通过对 比深入解析了疲劳性能增益的原因。 Nie等[87]建立了综合考虑等效残余 压应力和FINDLEY模型,在两倍误 差范围内成功预测了激光喷丸TC4 钛合金试样的高周疲劳寿命。

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利用激光增材制造零件是当前 工业界快速制造的重要方向,在应用 上,该技术产生大量内部缺陷的问题 也同样引起工业界的关注。AguadoMontero[88]对比研究了机械、激光喷 丸和机械喷丸+表面化学处理对增 材制造TC4疲劳性能的影响,发现 3种情况下疲劳强度都远高于未经 表面处理的参考组[89]。赖梦琪等[90] 对比了锻造和增材制造TC4合金激 光强化后的表面完整性状态,认为激 光强化提高了增材制造TC4合金致 密度,但因内部疏松的缘故使得残余 压应力数值小于锻造态强化。Jiang 等[91]针对激光选区融化制造构件的 超高周疲劳研究发现激光喷丸后疲劳性能更低,原因是该型疲劳试验疲 劳断口起源于大深度缺陷处。

无保护(吸收)层激光喷丸(Laser shockpeeningwithoutprotectivecoating, LSPwC)和改变环境温度的激光喷丸 (温激光喷丸,Warmlaserpeening或深 冷激光喷丸,Cryogeniclaserpeening) 等新方法研究丰富了激光喷丸技术 树。Petroni等[92]对比了有无保护 层激光强化钛合金微观结构和性能, 发现有保护层情况下表面粗糙度更 低。Pan等[93]对比了室温和300℃ 激光喷丸后钛合金组织,特别的是一 些在室温下一般不开动的孪晶(如 {10–12})可在温激光喷丸过程开动 产生。Feng等[94]对于钛合金焊接 结构温喷丸研究结果表明,疲劳极限 提高了40%以上。周建忠等[95]采用 在极低温度下进行激光喷丸,以产生 数值更大的残余压应力[96]。

3.3其他表面强化技术

为了建立良好的连接,销钉孔结 构是航空器钛合金零件的重要连接 方式,同时,也引入结构弱点(应力集 中),导致该位置的疲劳性能薄弱,亟 待加强。对于销钉孔结构,艾莹珺[97]、 霍鲁斌[98]、罗学昆[99]、杨广勇[100]和 马世成[101]等针对TC17、TC4–DT、TB6 钛合金研究了适宜的冷挤压系列方 法,主要优化的工艺参数包括挤压方 式、过盈量、导端角等对孔壁粗糙度、残余应力分布、疲劳性能的影响。

除冷挤压强化外,超声喷丸也 是近年来钛合金表面强化研究的热 点之一。Zhu等[102–103]认为超声喷 丸使纯钛表面发生剧烈形变,可形成 纳米+非晶的复合表层。Kumar[104] 和Mordyuk[105]等也认为超声喷丸后 将导致表面纳米化。刘德波等[106] 的研究表明,降低气孔疏松等缺陷, 引入强化层是超声冲击处理焊缝的 主要强化作用。蔡晋等[107]通过建 立有限元模型,分析了超声强化腔 体与零件待强化区域的关系,并对 比了TC4合金喷丸和超声喷丸残余 应力差别[108]。王谧等[109]开展了超 声喷丸多弹丸仿真。以上研究如能 配合实际试验验证将更能够推进工 艺应用。

3.4钛合金抗疲劳表面改性技术展望

根据以上问题,认为钛合金抗疲 劳表面改性技术主要有以下3个发 展需求:(1)加强零件结构适应性。 对于薄壁以及对于表面粗糙度等有 特殊要求的零件,需提供专用表面强 化手段或工艺参数,在控制变形和表 面完整性状态的前提下实现抗疲劳 强化。(2)表面改性层高能化、深层 化和均匀化。目前高能深层是表面 形变强化领域的普遍共识,而均匀化 是工业界保障疲劳性能提高的关键, 这方面容易被学术领域忽略。(3)提高成本可控性。这主要来自于表 面工程技术的应用需求。在工业上, 在实施表面改性技术后,如何有效表 征钛合金构件的疲劳性能,探索建立 表面完整性–试样疲劳性能–构件 疲劳性能的内在联系,将是一个研究 难点。 

4、结论 

从目前西方发达国家航空航天零件使用材料的发展趋势看,比强度 高、密度小的钛合金材料在很长的一 段时间内仍将是航空航天使用的主 要金属材料。解决该合金磨损、氧化 和疲劳问题是保障钛合金零件在航 空航天器可靠服役的关键。以耐磨 涂层、抗氧化涂层和表面改性技术为 代表的表面工程技术以其低成本、高 效和不增重(或少增重)的特点,成 为了解决3大问题的钥匙。

随着我国国力逐步增强,航空航天技术将进 一步快速发展,钛合金表面工程技术发展机遇巨大,同样也面临着基础研 究和工艺应用带来的巨大挑战,有待 广大表面工程科技工作者深入研究 解决。

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