钛合金表面抗氧化玻璃涂层研究

钛合金表面抗氧化玻璃涂层研究

闵楠 ,徐皓龙

四川华都核设备制造有限公司

摘要：钛合金材料属于一种高强度、低密度的金属材料，使用期间的机械性能良好，在航空航天领域得到了良好运用。要想延长这类材料的使用寿命，提高使用性能，还应对其表面进行抗氧化处理。玻璃涂层在使用期间的稳定性比较强，受到高温环境的影响小，也不易与外界物质发生化学反应，能够进一步提升这类合金材料的抗氧化性能。本文主要对该涂层的具体应用进行了分析，以期为钛合金表面抗氧化处理提供参考。

关键词：钛合金；表面结构；玻璃涂层；抗氧化机理

表面涂层技术的合理运用可以提高钛合金材料的高温适应性，实现对材料表面结构的有效防护，而玻璃涂层的优异性较为明显，即使在高温环境条件下其内部组分也可以形成较为细致的保护膜，将钛合金材料与外部空气隔绝开，防护效果较为明显。目前应用的玻璃涂层比较多，应根据钛合金材料的抗氧化需要进行持续改进与优化，切实提高玻璃涂层的应用效果。

1.玻璃涂层的制备方法

1.1热熔敷法

热熔敷法是钛合金材料加热到适宜温度后将玻璃粉末均匀喷涂在结构表面，加热后的温度作用能够使玻璃材料发生熔化，随着温度的逐渐冷却而慢慢形成玻璃涂层。有关学者对这一制备方法应用后钛合金表面的耐腐蚀性能进行了研究，发现适当加稀土元素能够提高玻璃的软化程度，形成的玻璃涂层密度比较大，耐腐蚀性能比较强。其中氧化铈在增强玻璃涂层使用期间的抗冲击能力方面起到了重要作用。使用热熔敷法进行钛合金表面玻璃涂层制备可提高结构整体强度，过程操作比较简单，耐腐蚀性比较强，但需要选择质量、性能达到相关要求标准的玻璃粉，这是提高涂层抗氧化性能的关键。

1.2火焰喷涂法

该种制备方法主要利用火焰对所用的玻璃材料进行加热处理，使其处于熔化或者半熔化状态，再利用火焰喷射到钛合金结构表面，待温度冷却后可形成防护涂层。相关学者对这种方法进行了检验，采用氧⁃乙炔火焰喷涂的方式对玻璃涂层的性能和防护效果进行了分析，通过结果可以了解到玻璃涂层的整体状态较为稳定，显著增强了钛合金表面的抗氧化能力。还有一些学者使用激光烧结技术对上述结构进行了二次处理，通过性能检验可知，再次处理后的玻璃涂层内部组分的均匀性有所提升，裂纹、裂孔问题得到了有效控制，有效提升了耐久性和综合性能。实际采用火焰喷涂法的过程中应考虑到安全性、经济性等因素，保证涂层质量。

1.3溶胶⁃凝胶法

该种制备方法的主要材料为无机盐或者金属醇盐，在特殊溶剂的作用下与水进行混合，水解后形成溶胶，而后将其均匀涂抹在钛合金工件表面，加热处理使溶胶干燥后会形成涂层，所得到的玻璃涂层整体较为均匀，使用超声振动和热冲击实验对该结构的性能和防护能力进行检验，整体的脱落情况比较少，结构整体性较强。这一玻璃涂层制备技术在实际应用期间的防护能力比较强，涂层受到高温环境的影响小，结合强度高，但在外界因素的影响下会出现开裂现象，而且整个过程需要花费较长时间，工艺流程相对复杂。

1.4浆料法

该方法常用技术有两种，分别为浆料烧结和浆料涂覆，两种技术方法的操作流程基本相同，先要配置玻璃涂层所用的粉体进行浆液制备，而后将其涂覆在材料结构表面，或者进行试样烧结。浆料涂覆方法将所配置材料涂覆到金属材料表面后使其自然干燥，投入使用过程中在高温作用下会发生熔化从而附着在结构表面，保护效果良好。而浆料烧结法是将制备浆料通过涂刷、喷涂的方式涂抹到材料表面，而后放入真空环境进行高温烧结，从而形成保护涂层。与以上几种工艺技术方法相比，浆料法无需进行复杂繁琐操作，而且形成的玻璃层致密性良好，涂层均匀，在提高钛合金表面抗氧化能力方面的优势较为明显。

2.玻璃涂层的抗氧化机理

2.1惰性熔膜屏蔽型保护机理

高温条件下，玻璃涂层逐渐发生熔化，而后均匀覆盖在钛合金表面形成密度良好和结构完整的保护膜，能够将基体材料与外界高温气体隔离开来，避免二者直接接触，从而降低有害成分对材料表面结构造成的破坏，降低各类不良反应现象的发生率，整体的防护效果比较好。惰性熔膜屏蔽型保护机理在硅酸盐、硅硼酸盐和铝硼硅酸盐类玻璃涂层中的应用效果更为明显，可以阻止氧气与钛合金材料直接接触，而且形成的保护层其光滑性比较强，不会与其他工件产生较大摩擦，从而降低玻璃涂层的磨损率，使其能够得到长期使用。

2.2消耗反应型保护机理

玻璃涂层中的组分较多，其中一些活性组分在温度较高的条件下不会与基体材料发生反应，但是会与氧气发生反应，产生的反应物不会对钛合金材料造成影响，通过这类活性组分对空气中氧气的持续消耗，可以避免氧气与钛合金相接触，从而控制了氧化反应现象的发生。上述现象属于一种消耗反应型保护机理，实际应用过程中玻璃涂层不易出现脱落和不平整的现象，生成的反应物还会增加涂层整体的粘度，进一步提高了涂层防护作用，也提升了基体抗氧化水平。

2.3互熔反应型保护机理

设置玻璃防护涂层的钛合金材料在高温作用下，表面结构会与玻璃涂层发生反应形成粘性熔膜，能够全面覆盖在该材料结构表面，控制变形现象出现，防止基体扩散，降低了氧化反应现象的发生，切实提高了这类金属材料的抗氧化能力，延长了构件的使用寿命。该保护机理在硅铝酸盐玻璃涂层中的适用性比较强，由于玻璃涂层氧化期间受到Ti原子的影响可实现Si原子的氧化还原，而且还会在界面处形成二者的化合物，使得钛合金材料中的Al增加，在溶解度超标时会形成Al

2O3，可防止基体持续氧化。

综上所述，玻璃涂层在提高钛合金材料高温条件下的稳定性能方面起到了重要作用，可以让该材料应用到更多领域。在工业技术快速发展过程中，为能够持续提升玻璃涂层的功能效用并将其运用到不同环境条件下的金属材料抗氧化处理中，还应分析当前技术情况并进行持续深入研究，全面提升玻璃涂层的保护性能，延长金属材料的使用寿命。

参考文献：

[1]覃鑫,祁文军,左小刚.TC4钛合金表面激光熔覆NiCrCoAlY-Cr_3C_2复合涂层的摩擦和高温抗氧化性能[J].材料工程,2021,49(12):107-114.

[2]史小波,吴旌贺.钛合金高温抗氧化机理研究[J].河南教育学院学报(自然科学版),2018,27(03):22-24+29.

[3]王伟郭鸽鸽丁士杰程鹏高原王快社.钛合金表面抗氧化玻璃涂层研究进展[J].材料导报,2022,36(S01):141-148.

[4]汪欣,张勇,李争显,等.钛合金铸锭表面加热保护及锻造润滑用玻璃涂层的研究现状与展望[J].钛工业进展,2018,35(6):5.

[5]刘睿东.钛合金用玻璃基防氧化及润滑涂层研究[D].华中科技大学,2016.