CN111962129A - 一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法，提出了利用脉冲等离子体转化膜技术在钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层，并在模拟压气机叶片工况环境下进行热盐腐蚀疲劳试验，TiO₂陶瓷膜层十分有效地改善了钛合金的抗热盐腐蚀疲劳性能。

Description

一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料表面处理领域，具体是一种提高钛合金抗热盐腐蚀疲劳性能的表面处理方法。

背景技术

钛合金由于其优异的综合力学性能成为了航空发动机压气机叶片和盘的主选材料，但是发动机主要旋转件叶片的工作环境极其复杂，处于高温、高压和交变载荷多因素影响的工况环境中。对于海洋环境服役的飞机，航空发动机压气机叶片还遭受盐雾的侵蚀，故热-力-盐联合作用导致的热盐应力腐蚀和腐蚀疲劳成为航空发动机压气机钛合金叶片的主要失效模式之一。故研发钛合金热盐应力腐蚀和腐蚀疲劳表面防护技术对于提高航空发动机压气机服役性能十分重要。

目前针对有关金属材料热盐应力腐蚀和腐蚀疲劳的研究相对较少，目前研究主要集中在采用表面强化技术(激光冲击、超声喷丸等)，一方面在钛合金表面引入残余压应力从而缓解应力作用效果从而提高钛合金热盐应力腐蚀抗力；另一方面在钛合金表面形成超细晶或纳米晶改善热盐应力腐蚀及腐蚀疲劳机制减缓氢的产生从而抑制腐蚀损伤。但是表面也会产生损伤，加速裂纹的形成和腐蚀的发生，使得改善效果降低。同时表面涂镀技术在此方面研究发现要想改善钛合金热盐应力腐蚀性能首先需要涂镀层致密，在应力作用不致破裂形成缺陷。这就需要涂层元素属惰性金属，抗卤化物、硫化物腐蚀性能较好，且与钛合金热匹配度良好，不至于高温环境下发生剥落，有关涂层的选择和制备方法还需要进一步探索。

而脉冲等离子体转化膜技术是利用弧光放电产生的瞬时高温高压等离子体增强金属表面电化学反应，从而在钛与钛合金等材料表面生长出以基体金属氧化物为主并辅以电解液组分的复合陶瓷涂层。该技术具有操作简单和膜层功能可控的特点，而且工艺简便，环境污染小，是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术。此外，通过电解液的优化和电参数及氧化时间的控制可制备不同厚度以及不同强韧性能的陶瓷涂层，有望显著提高钛合金抗热盐应力腐蚀和腐蚀疲劳性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明针对航空发动机叶片有关金属材料热盐应力腐蚀损伤，提出将脉冲等离子体转化膜技术应用于钛合金表面TiO₂陶瓷膜层制备，通过合理工艺参数调控获得了致密性好、厚度适中和结合强度高的TiO₂陶瓷膜层，实现了有效降低钛合金基材热盐应力腐蚀和腐蚀疲劳敏感性的应用目标。

本发明的技术方案是：一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法，包括以下步骤：

步骤1：对钛合金进行处理：依据钛合金依据标准将钛合金加工成旋转弯曲疲劳试样，再将试样清洗干净后吹干；

步骤2：对钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层，包括以下子步骤：

步骤2.1：调制电解液，其中成分为硅酸钠22～28g/L，六偏磷酸钠8～12g/L，氢氧化钠0.3～0.7g/L，四硼酸钠3～5g/L；

步骤2.2：将配制好的电解液倒入不锈钢槽中，用钛丝固定好试样后将其悬挂于电解液中，并使试样与阳极相连，不锈钢槽与阴极相连，之后采用脉冲等离子体转化膜技术对钛合金试样进行处理；处理时使电解液温度保持在15～30℃之间，并通过电动搅拌器搅拌溶液，降低溶液的浓差极化和温度的不均匀性；

步骤2.3：试验结束后，关闭电源，取出试样；

步骤2.4：冲洗试样以除去试样表面残留的电解液，之后用热风吹干，至此TiO₂陶瓷膜层制备完成。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中对试样依次用去污粉、清水、无水乙醇超声清洗干净。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，该电解液的配制是称取22～28g的硅酸钠，8～12g的六偏磷酸钠，0.3～0.7g的氢氧化钠和3～5g的四硼酸钠，然后用蒸馏水稀释至1L。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤3.2中设置的电参数为：电流密度8～12A/dm²，频率780～820Hz，占空比8～12％氧化时间20～25min。

发明效果

本发明的技术效果在于：提出了利用脉冲等离子体转化膜技术在钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层，并在模拟压气机叶片工况环境下进行热盐腐蚀疲劳试验，在420℃的温度下，腐蚀疲劳寿命从基材的71万，提高到大于500万，在280℃的温度下，腐蚀疲劳寿命从基材的120万，提高到大于500万，腐蚀疲劳寿命提高了接近一个数量级，故TiO₂陶瓷膜层十分有效地改善了钛合金的抗热盐腐蚀疲劳性能。

附图说明

图1为TC17钛合金基材未涂盐、基材涂盐及TiO₂陶瓷膜层涂盐的疲劳寿命对比图。

具体实施方式

参见图1，本发明技术方法的具体实施步骤为：(1)参数优化：由于电解液成分及浓度、电参数及氧化时间等对膜层性能有很大影响，如电解液浓度过大，会使得制备过程中火花放电剧烈，膜层粗糙度增大，膜层疏松，使得膜层的力学性能大大降低，故需要先进行优化处理，优化后的参数为硅酸钠25g/L，六偏磷酸钠10g/L，氢氧化钠0.5g/L，四硼酸钠4g/L，电流密度10A/dm²，频率800Hz，占空比10％，氧化时间20～25min。(2)TiO₂陶瓷膜层制备：接着采用脉冲等离子体转化膜技术(相比已有的表面处理技术，该技术的优势在于热化学、电化学和脉冲等离子体的共同作用下使得制备的膜层更加致密且均匀，与基体的结合更加牢固，耐蚀性能更优异。同时处理工艺简单且效率高)，在第一步优化好的参数下，在钛合金表面制备一层10～20μm厚的致密性良好且结合强度高的TiO₂陶瓷膜层。(3)采用喷笔将化学纯NaCl制成的饱和水溶液均匀地喷于钛合金基材和第二步制备的具有陶瓷膜的疲劳试样表面，覆盐量为0.4±0.05mg/cm²，吹风机吹干待用；(4)将钛合金基材和第三步制备的涂有NaCl盐膜的钛合金疲劳试样装在高温旋转疲劳试验机上进行高温试验，温度控制在200～600℃范围，以模拟发动机压气机工况温度；(5)在热-力-盐作用下，利用脉冲等离子体转化膜技术在钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层的腐蚀疲劳性能较基材大大提高。

实施例1

将TC17钛合金依据标准(HB5153-1996金属高温旋转弯曲疲劳试验方法)加工成旋转弯曲疲劳试样，将试样依次用去污粉、清水、无水乙醇超声清洗掉试样表面的锈斑及油污等用吹风机吹干。使用去污粉是利用物理研磨原理，快速去除金属表面的锈斑及由于氧化造成的金属变色及斑点。清水清洗是为了避免去污粉的残留对试样造成腐蚀等。无水乙醇清洗是为了去除试样表面的油污、污垢等残留。由于每种清洗的作用不同，去除试样表面的残留并不相同，只采用一种进行清洗，并不能使试样表面清洗干净。无水乙醇采用的是分析纯纯度，使用时只需将试样浸没即可。去污粉采用的是5g/100mL。由于去污粉洗完会残留一部分在试样表面，需要用清水进行冲洗，即使冲洗完仍会有离子的残留，故需要无水乙醇进行进一步清洗。

接着利用脉冲等离子体转化膜技术在钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层，具体试验参数和步骤如下：先取适量的蒸馏水于烧杯中，依次加入称量好的药品(硅酸钠25g/L，六偏磷酸钠10g/L，氢氧化钠0.5g/L，四硼酸钠4g/L)，用玻璃棒搅拌使其溶解，将所有药品溶解后，再取蒸馏水调至到所需浓度。将配制好的电解液倒入不锈钢槽中，用钛丝固定好试样后将其悬挂于电解液中，并使试样与阳极相连，不锈钢槽与阴极相连，之后在设备面板上设置电参数(电流密度10A/dm²，频率800Hz，占空比10％，氧化时间20min)，接通电源后开始对试样进行处理。处理过程中开启循环冷却系统，使电解液温度保持在15～30℃之间，通过电动搅拌器搅拌溶液，降低溶液的浓差极化和温度的不均匀性。待试验结束后，关闭电源，取出试样，用流动自来水冲洗试样以除去试样表面残留的电解液，之后用热风吹干，装入试样袋中，至此TiO₂陶瓷膜层制备完成。

对于TC17钛合金而言，为模拟压气机中级叶片的工作环境，故选择在420℃的高温下进行旋转弯曲疲劳试验。实验结果如图1所示，为未涂盐TC17钛合金试样在500MPa最大应力下经过5×10^6周次旋转后未断，将最大应力升高至600MPa之后，旋转了约2.5×10^4周次后试样失效。TC17钛合金试样在疲劳试验之前表面涂0.4mg/cm²的NaCl盐膜，同样在420℃、最大应力为500MPa试验条件下进行旋转弯曲疲劳试验，仅旋转了7.1×10^5周次后试样就失效。表明TC17钛合金在上述试验条件下对热盐腐蚀疲劳十分敏感。脉冲等离子体转化膜技术制备的TiO₂陶瓷膜层试样在相同涂盐量、相同温度的试验条件下，在500MPa最大应力下经过5×10^6周次旋转后仍未断，将最大应力升高至600MPa之后，旋转了约1.9×10^4周次后试样失效，疲劳寿命远大于基材涂盐试样，并接近于基材未涂盐试样的疲劳寿命，表明脉冲等离子体转化膜技术制备的TiO₂陶瓷膜层可以显著提高钛合金抗420℃热盐腐蚀疲劳性能。

实施例2

将TC17钛合金依据标准(HB5153-1996金属高温旋转弯曲疲劳试验方法)加工成旋转弯曲疲劳试样，将试样依次用去污粉、清水、无水乙醇超声清洗干净后用吹风机吹干。接着利用脉冲等离子体转化膜技术在钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层，具体试验参数和步骤如下：先取适量的蒸馏水于烧杯中，依次加入称量好的药品(硅酸钠25g/L，六偏磷酸钠10g/L，氢氧化钠0.5g/L，四硼酸钠4g/L)，用玻璃棒搅拌使其溶解，将所有药品溶解后，再取蒸馏水调至到所需浓度。将配制好的电解液倒入不锈钢槽中，用钛丝固定好试样后将其悬挂于电解液中，并使试样与阳极相连，不锈钢槽与阴极相连，之后在设备面板上设置电参数(电流密度10A/dm²，频率800Hz，占空比10％，氧化时间25min)，接通电源后开始对试样进行处理。处理过程中开启循环冷却系统，使电解液温度保持在15～30℃之间，通过电动搅拌器搅拌溶液，降低溶液的浓差极化和温度的不均匀性。待试验结束后，关闭电源，取出试样，用流动自来水冲洗试样以除去试样表面残留的电解液，之后用热风吹干，装入试样袋中。

为模拟压气机前级叶片的工作环境，故选择在280℃的温度下进行旋转弯曲疲劳试验，实验结果为未涂盐TC17钛合金试样在500MPa最大应力下经过5×10^6周次旋转后未断，将最大应力升高至600MPa之后，旋转了约8.6×10^5周次后试样失效。TC17钛合金试样在疲劳试验之前表面涂0.4mg/cm²的NaCl盐膜，同样在280℃、最大应力为500MPa试验条件下旋转了1.2×10^6周次试样失效。表明TC17钛合金在280℃温度条件下对热盐腐蚀疲劳仍然敏感，但不如420℃时敏感性高。脉冲等离子体转化膜技术制备TiO₂陶瓷膜层的试样在相同涂盐量、相同温度的试验条件下，在500MPa最大应力下经过5×10^6周次旋转后同样未断，将最大应力升高至600MPa之后，旋转了约5.2×10^5周次后试样失效，疲劳寿命远大于基材涂盐试样的，较为接近于基材未涂盐试样的疲劳寿命，表明脉冲等离子体转化膜技术制备的TiO₂陶瓷膜层可以显著提高钛合金抗280℃热盐腐蚀疲劳性能。

Claims (4)

1.一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对钛合金进行处理：依据钛合金依据标准将钛合金加工成旋转弯曲疲劳试样，再将试样清洗干净后吹干；

步骤2：对钛合金表面制备TiO₂陶瓷膜层，包括以下子步骤：

步骤2.1：调制电解液，其中成分为硅酸钠22～28g/L，六偏磷酸钠8～12g/L，氢氧化钠0.3～0.7g/L，四硼酸钠3～5g/L；

步骤2.2：将配制好的电解液倒入不锈钢槽中，用钛丝固定好试样后将其悬挂于电解液中，并使试样与阳极相连，不锈钢槽与阴极相连，之后采用脉冲等离子体转化膜技术对钛合金试样进行处理；处理时使电解液温度保持在15～30℃之间，并通过电动搅拌器搅拌溶液，降低溶液的浓差极化和温度的不均匀性；

步骤2.3：试验结束后，关闭电源，取出试样；

步骤2.4：冲洗试样以除去试样表面残留的电解液，之后用热风吹干，至此TiO₂陶瓷膜层制备完成。

2.如权利要求1所述的一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法，其特征在于，所述步骤1中对试样依次用去污粉、清水、无水乙醇超声清洗干净。

3.如权利要求1所述的一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法，其特征在于，所述步骤2中，该电解液的配制是称取22～28g的硅酸钠，8～12g的六偏磷酸钠，0.3～0.7g的氢氧化钠和3～5g的四硼酸钠，然后用蒸馏水稀释至1L。

4.如权利要求1所述的一种控制钛合金热盐腐蚀疲劳的陶瓷膜制备方法，其特征在于，所述步骤3.2中设置的电参数为：电流密度8～12A/dm²，频率780～820Hz，占空比8～12％氧化时间20～25min。

Images