等离子喷涂阻燃涂层性能研究
张乐，谢旭霞，占焕校，任先京，马江虹
热 喷 涂 技 术2010 年 6 月
摘 要：采用大气等离子喷涂工艺在 TA15 钛合金上制备了复合涂层，利用激光点燃法测量了复合涂层的阻燃性能，采用 SEM、EDS 对试样进行对比分析。结果表明：复合涂层在一定条件下具有阻燃作用，涂层厚度增加，阻燃性能增加；复合涂层主要是导热系数低，涂层吸收能量，减小基体对热量的吸收，同时阻止钛合金与氧接触机制来阻燃；TA15烧蚀后，主要为 Ti 的氧化物、少量 Al 的氧化物和 Zr 的氧化物，烧蚀中心发生 Mo 的氧化物挥发现象，复合涂层烧蚀后主要分四个区域。
关键词：大气等离子喷涂；复合涂层；激光点燃；阻燃性能
钛合金具有强度高、密度小和高熔点等优点[1]，因此广泛应用于航空燃气涡轮发动机的压气机机匣、转子盘、转子叶片等部件，以减轻发动机的重量，提高推重比。但是普通钛合金在一定的温度、压力和气流速度下会发生燃烧，并且燃烧会迅速发生蔓延，损害发动机部件，从而制约了钛合金在飞机发动机上的应用。因此，如何防止钛合金燃烧是研究新型飞机发动机的重要课题[1-3]。
为防止钛合金发生燃烧，国内外主要采取改进结构设计、阻燃钛合金和阻燃涂层三种措施[4]。在阻燃涂层方面，NASA曾先后试验了十几种涂层[1, 5, 6]，将裸露的钛合金试样与有阻燃涂层的钛合金试样进行激光点燃，并对燃烧结果进行对比分析，试验表明，有 8 种涂层材料在一定条件下良好的阻燃性能。德国慕尼黑MTUAero Engines 公司 EJ 200 HP压气机机匣内侧涂有陶瓷涂层[7]，用于防止钛燃烧。
北京航空材料研究院研制出了一些性能较好的阻燃涂层[6]，但未见详细报道。本文采用大气等离子方法在钛合金表面制备复合涂层。在常温常压下，激光点燃有复合涂层的钛合金试样与裸露的钛合金试样，进行对比分析。采用普通相机、扫描电镜（SEM）和 X 射线能谱仪等设备分析了激光点燃后烧蚀坑的表面形貌、元素分布以及烧蚀产物，总结了复合涂层的阻燃性能，并初步解释了该涂层的阻燃机理。
1 试验方法及设备
1.1 涂层的制备
把 TA15 板 状 合 金 切 割 成 约55mm×24mm×3mm，然后对试样进行清洗、喷砂处理。采用北京矿冶研究总院 GTV 大气等离子喷涂设备，在 TA15 钛合金上制备了复合涂层，复合涂层由涂层α和涂层β组成，喷涂工艺参数如表 1、表 2。
1.2 激光点燃 TA15 钛合金和复合涂层
采用 TJ-HL-T 5000 型高功率横流 CO2激光器，激光点燃裸露的 TA15 钛合金和表面有复合涂层的钛合金。首先用 WC120 金相砂纸打磨 TA15 钛合金和复合涂层，使之具有相似的粗糙度，然后在试样上涂敷涂料，使两种试样吸光率尽可能一致，以保证点燃过程中试样吸收能量一致。
试验在常温常压下进行，激光点燃时间为 5s和 10s。
1.3 阻燃性能研究方法
采用数码相机对激光点燃后试样正面、背面的烧蚀区和热影响区进行观察；采用 Quanta 200 型扫描电镜（SEM）、Genesis 型 X 射线能谱仪（EDS）对烧蚀区域表面元素分布进行分析，并对试样截面各微区进行能谱分析。
2 验结果与分析
2.1 试样宏观照片分析
图 1 所示，a 点、b 点处激光点燃 TA15 钛合金的时间分别为 5s 和 10s。两者正面皆发生明显烧蚀，b 点烧蚀区域比 a 点烧蚀区域大。背面有明显热影响区，b 点热影响区大，说明 TA15 钛合金 a点、b 点均发生烧蚀，b 点烧蚀严重。
如图 2、表 3 所示，1-a 和 1-b 厚度相差不大，点燃时间分别为 5s、10s，1-a 背面基本无热影响区，而 1-b 有热影响区，所以点燃时间越大，烧蚀越明显。
1-b 和 2-b 点燃时间均为 10s，2-b 点的β涂层厚度为 0.626mm，该点背面无热影响区。说明厚度增大，有利于阻燃。
2-a、2-b 两点正面中心部分颜色与未点燃的该涂层颜色基本相同，且分别比 TA15 的 a 点、b 点烧蚀区域面积大，说明β涂层发生了重熔现象。文献[8-9]中指出复合涂层的导热系数小于钛合金的导热系数，复合涂层阻碍了热量向基体的传递，起到了隔热作用。
复合涂层起到阻燃作用的一个原因为：复合涂层导热系数低，吸收热量熔化，阻止了能量向基体扩散。
2.2 沿烧蚀区域长轴方向元素分布
（1）TA15-a 烧蚀坑沿长轴方向元素分布如图 3、图 4 所示， 该点为 TA15 钛合金激光点燃 5s 的烧蚀区域，TA15 钛合金的名义成分是Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，烧蚀后 Ti、O 含量最大，说明钛合金烧蚀严重。
烧蚀坑 A-D 点没有 Mo，烧蚀区域中心发生了Mo 氧化物的挥发。
（2）TA15-b(10s)烧蚀坑沿长轴方向元素分布如图 5、图 6 所示，该点为 TA15 钛合金激光点燃 10s的烧蚀区域，烧蚀后 Ti、O 含量最大，说明钛合金烧蚀严重。
Ｅ点和Ｆ点，Ｅ点处 Al 含量突然增加、Ti 含量突然下降、而氧含量变化不大。F 点 Al 含量最大，超过了Ｏ含量，该点主要是 Al 和 Ti 的氧化物。
（3）复合涂层 1-a 烧蚀坑处沿长轴方向元素分布
如图 7、图 8 所示，该点复合涂层的β涂层厚度为 0.202mm，激光点燃时间为 5s，复合涂层包括α涂层（含有 Ni 元素）、β涂层（含有 X 元素）。F点为烧蚀坑边缘，X 元素含量最低，Ni 含量最少，说明 F 点β涂层烧蚀严重，剩余为α涂层烧蚀后的组织。A - D 点 Ti 的含量比较大，说明基体受到损害，而 F 点之后含量极小，说明 F 点之后基体未受损害。
（4）复合涂层 2-b 烧蚀坑沿长轴方向元素分布
如图 9、图 10 所示，该点β涂层厚度为0.626mm，激光点燃时间为 10s。由 EDS 图片上A-H 点可以看出：X 元素含量基本稳定，Ni 含量很低，且稳定，没有 Ti，涂层中心有几条裂纹，烧蚀坑边缘有环形的裂纹。说明涂层受到损害、而基体TA15 基本没有受到损害。
复合涂层起到阻燃作用的另一个原因为：在激光点燃过程中，涂层发生重熔，阻止基体与氧的接触，起到阻燃作用。
复合涂层中的β涂层厚度为 0.202mm，点燃时间为 5s，烧蚀坑中心基体发生烧蚀。涂层厚度为0.626mm，点燃时间为 10s ，α涂层和基体基本上没有发生烧蚀。说明涂层厚度越大，与有利于阻燃 。
由以上分析可知，复合涂层起到阻燃作用的机制为：复合涂层主要是导热系数低，涂层吸收能量，减小基体对热量的吸收，同时阻止钛合金与氧接触机制来阻燃。
2.3 试样截面微区进行 X 能谱分析
（1）TA15 烧蚀后界面微区 X 能谱分析如图 11、表 4 所示，TA15-b-①点位于Ⅰ区，从元素含量可以看出，该点主要是 Ti 的氧化物和少量 Al 的氧化物和 Zr 的氧化物。
（2）复合涂层烧蚀后界面微区 X 能谱分析
如图 12、表 5 所示，复合涂层 1-b 处烧蚀后的区域分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，对应点为①点、②点、③点和④点。由（1） 点元素含量得知：Ⅰ区主要为 X 元素的氧化物，含有少量 Ti、Ni 和 Al。（2） 点主要为 Ti、Ni、Al 和 Cr，含少量 Co，说明Ⅱ区在烧蚀过程中，α涂层和 TA15 发生冶金结合。（3）点 Ti、O、Ni 和 Cr，说明Ⅲ区主要为 Ti、Ni、Cr 的氧化物，由于 Cr 可以形成 Cr2O3保护膜，阻止了烧蚀向更深处蔓延。（4）点主要为 Ti、Ni，含有一定量的 Al、Cr，Al 和 Cr 可以形成保护性氧化膜，进一步阻止了烧蚀向更深处蔓延。
3 结论
采用大气等离子技术在 TA15 钛合金上制备了复合涂层，并激光点燃有复合涂层的钛合金及裸露的 TA15 钛合金试样，采用普通相机、扫描电镜和能谱仪等设备对涂层的阻燃性能进行分析，研究的主要结论如下：
（1）复合涂层在一定条件下具有阻燃作用，在点燃过程中涂层吸热重熔，涂层烧蚀区域直径比同条件下钛合金烧蚀区域直径大。复合涂层厚度增加，阻燃性能增加。
（2）复合涂层起到阻燃作用的机制为：复合涂层主要是导热系数低，涂层吸收能量，减小基体对热量的吸收，同时阻止钛合金与氧接触机制来阻燃。
（3）TA15 烧蚀后，主要为 Ti 的氧化物、少量 Al 的氧化物和 Zr 的氧化物，烧蚀中心发生 Mo的氧化物挥发现象；复合涂层烧蚀后主要分四个区域，Ⅰ区主要为 X 元素的氧化物，Ⅱ区α涂层和TA15 发生冶金结合。 Ⅲ区中 Cr 可以形成保护膜，Ⅳ区 Al 和 Cr 可以形成保护性氧化膜。
参考文献略
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