γ-TiAl合金表面Al2O3+Y2O3/Al-Y梯度涂层的冶金结构及其抗高温氧化机制

γ-TiAl alloy is an ideal structural material serviced at elevated temperature for the applications of aircraft and areospace crafts. However, the insufficient oxidation resistance at high temperature has limited the actual uses of this alloy. For traditional alloy thermal protective coatings,the existing problems include peeling off while alternative stress applied, the ability of anti-oxidation decreased quickly due to the inter-diffusion between coating and γ-TiAl substrate. In this research, a 40-70μm Al2O3+Y2O3/Al-Y composite coating with gradient structure is designed, which is prepared on γ-TiAl alloy by arc-glow plasma alloying. The outer ceramic layer can provide an sufficient effect of oxidation resistance at high temperatures.The inner Al-Y diffusing layer contribute a element replenishment of Al and Y to the outer coating. Based on the first principle, the generalized stacking energy would be calculaed. Then the toughness of the coating can be illustrated accordingly. The phase structure of the coating can also be forecasted, and the forming mechanism of phases is announced. The Wagner diffusion equation of oxygen in the coated γ-TiAl alloy will be set up using Monte-Calo method, and the oxidation mechanism of the Al2O3+Y2O3/Al-Y could be expressed. The implementation of this project is helpful to solve the urgent engineering problem of this alloy for the application in advanced engines, supporting the development of the new generation of aviation spcecraft.

γ-TiAl合金是一种新型高温合金，然而抗高温氧化性能不足是其迫切需要解决的应用难题。针对现有防护合金涂层易剥落、在高温下长期服役时因互扩散而导致抗氧化性能快速下降等问题，本项目将采用加弧辉光离子渗镀技术在γ-TiAl合金表面制备具有梯度结构的Al2O3+Y2O3/Al-Y涂层，形成与基体冶金结合的40-70μm厚的Al2O3+Y2O3热防护层及Al-Y元素补给层的抗高温氧化复合涂层。本研究将基于第一性原理，计算Al、Y原子替代Ti的广义层错能，表征涂层的韧性，预测渗层合金相结构并描述其形成机理；应用Monte-Calo方法和Wagner方程，建立高温下氧原子的扩散方程，计算氧原子的扩散速率，进一步探讨高温下合金层的氧化机理等。本课题的实施将有望解决γ-TiAl合金应用于发动机热端部件急待解决的抗氧化性能差的难题，对研制新一代航空航天器具有重要的应用前景和理论价值。

γ-TiAl合金是一种优质的高温结构材料，具有轻质、高比强度、高比模量等突出优点，被广泛应用于航空航天等众多工业领域。但由于其抗高温氧化能力以及在熔盐环境下热腐蚀性能的不足，使得γ-TiAl的使用范围受到了极大的制约。因此，如何提高γ-TiAl合金在高温条件下的抗氧化、抗腐蚀以及抗磨损性能已成为当今研究的热点。采用Monte-Carlo方法和SRIM软件等手段深入分析Y2O3薄膜制备工艺，对制备工艺进行优化。采用第一性原理的方法分析了Y在γ-TiAl的占位情况。采用加弧辉光离子渗镀技术在γ-TiAl合金表面制备Al2O3+Y2O3/Al-Y复合涂层以及Al-Y涂层以提高基材的抗氧化性、抗热腐蚀性及耐磨性。对以上涂层的高温氧化性能、热腐蚀性及耐磨性进行了深入研究，并与基材进行对比。深入分析了涂层对于高温氧化性能、热腐蚀性及耐磨性进的影响和作用机理。.在研究制备工艺过程中，将溅射功率、工作气压等参数转换成两种更基础的变量，以此研究这些工艺条件对于薄膜生长的影响。经过优化工艺，制备出的Al2O3+Y2O3/Al-Y复合涂层表面致密、无明显的孔洞和裂纹，由表及里各元素呈梯度分布，厚度为35μm；复合涂层明显提升了TiAl合金的显微硬度、纳米硬度以及弹性模量。并且在划痕实验、热震实验综合分析检测下，表现出较为理想的结合强度和抗热震性能。.对复合涂层在高温氧化试验中（750℃、850℃、950℃）组织形貌和相结构进行了观察和分析揭示了复合层在高温氧化条件下的演变规律，从而深度剖析了渗层的抗高温氧化机理；氧化过程中表层的陶瓷层Al2O3+Y2O3起到保护作用，其中Y2O3起钉扎作用，金属层Al-Y则缓解了Al2O3-Y2O3镀层与基体之间应力，各层之间以褶皱状结构连接。涂层在各温度都表现出优异的抗氧化能力。.热腐蚀试验中（750℃、850℃、950℃），Al-Y梯度涂层表现出良好的抗热腐蚀性能；在摩擦磨损试验中（20℃、300℃、500℃），复合涂层主要以磨粒磨损和氧化磨损为主要磨损机制，显著提高了基体的耐高温摩擦性能。以上试验结果均对提高γ-TiAl合金在高温条件下抵抗氧化、腐蚀和磨损的能力具有重要的价值。