电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 电镀C涂层对TC4铁合金然烧性能的影响 熊家帅黄进峰解国良喻嘉彬张诚邵磊王亚宇李洪莹何光宇 Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy XIONG Jia-shuai.HUANG Jin-feng.XIE Guo-liang.YU Jia-bin,ZHANG Cheng.SHAO Lei.WANG Ya-yu,LI Hong-ying.HE Guang-yu 引用本文： 熊家帅，黄进峰.解国良，喻嘉彬，张诚，邵磊，王亚宇，李洪莹，何光宇.电镀C涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响工程科 学学报，2020,42(8)：1007-1017.doi:10.13374j.issn2095-9389.2019.08.10.001 XIONG Jia-shuai,HUANG Jin-feng,XIE Guo-liang.YU Jia-bin,ZHANG Cheng,SHAO Lei,WANG Ya-yu,LI Hong-ying,HE Guang-yu.Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy[].Chinese Journal of Engineering. 2020,42(8):1007-1017.doi10.13374j.issn2095-9389.2019.08.10.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.08.10.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 应力比对TC4钛合金超高周疲劳失效机理的影响 Effect of stress ratio on the very high-cycle fatigue failure mechanism of TC4 titanium alloy 工程科学学报.2019,41(2：254htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.013 金属有机骨架与相变芯材相互作用的分子动力学 Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials 工程科学学报.2020,42(1)：99 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2019.07.26.001 分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 Numerical simulation and research on the effect of the classification of gas composition on the heat process of gas radiation tubes 工程科学学报.2017,39(1)：96 https:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.013 循环热处理及形变对TC17钛合金片层组织球化和取向的影响 Effect of cyclic heat treatment with hot deformation on the microstructure and structural orientation of TC17 titanium alloy lamellae 工程科学学报.2017,3912：1844htps:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.12.010 热变形及热处理过程中TC17钛合金组织与取向的关联性 Correlation between structure and orientation of TC17 titanium alloy during thermal deformation and heat treatment 工程科学学报.2019,41(6)：772hps:/oi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.009 芯棒直径对楔横轧5Cr21Mn9Ni4N空心气门壁厚均匀性的影响规律 Effect of mandrel diameter on the wall thickness uniformity of the hollow valve of 5Cr21Mn9Ni4 by cross-wedge rolling 工程科学学报.2017,392：267 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.02.015

电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响 熊家帅 黄进峰 解国良 喻嘉彬 张诚 邵磊 王亚宇 李洪莹 何光宇 Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy XIONG Jia-shuai, HUANG Jin-feng, XIE Guo-liang, YU Jia-bin, ZHANG Cheng, SHAO Lei, WANG Ya-yu, LI Hong-ying, HE Guang-yu 引用本文: 熊家帅, 黄进峰, 解国良, 喻嘉彬, 张诚, 邵磊, 王亚宇, 李洪莹, 何光宇. 电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响[J]. 工程科 学学报, 2020, 42(8): 1007-1017. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.10.001 XIONG Jia-shuai, HUANG Jin-feng, XIE Guo-liang, YU Jia-bin, ZHANG Cheng, SHAO Lei, WANG Ya-yu, LI Hong-ying, HE Guang-yu. Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(8): 1007-1017. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.10.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.10.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 应力比对TC4钛合金超高周疲劳失效机理的影响 Effect of stress ratio on the very high-cycle fatigue failure mechanism of TC4 titanium alloy 工程科学学报. 2019, 41(2): 254 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.013 金属有机骨架与相变芯材相互作用的分子动力学 Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials 工程科学学报. 2020, 42(1): 99 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001 分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究 Numerical simulation and research on the effect of the classification of gas composition on the heat process of gas radiation tubes 工程科学学报. 2017, 39(1): 96 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.013 循环热处理及形变对TC17钛合金片层组织球化和取向的影响 Effect of cyclic heat treatment with hot deformation on the microstructure and structural orientation of TC17 titanium alloy lamellae 工程科学学报. 2017, 39(12): 1844 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.010 热变形及热处理过程中TC17钛合金组织与取向的关联性 Correlation between structure and orientation of TC17 titanium alloy during thermal deformation and heat treatment 工程科学学报. 2019, 41(6): 772 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.009 芯棒直径对楔横轧5Cr21Mn9Ni4N空心气门壁厚均匀性的影响规律 Effect of mandrel diameter on the wall thickness uniformity of the hollow valve of 5Cr21Mn9Ni4 by cross-wedge rolling 工程科学学报. 2017, 39(2): 267 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.015

工程科学学报.第42卷，第8期：1007-1017.2020年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.8:1007-1017,August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.10.001;http://cje.ustb.edu.cn 电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响 熊家帅)，黄进峰)区，解国良)，喻嘉彬，张诚，邵磊)，王亚宇， 李洪莹)，何光宇2) 1)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京1000832)空军工程大学航空航天工程学院，西安710100 ☒通信作者，E-mail:ustbhuangif(@163.com 摘要通过对镀有不同厚度(0、15、30、60m)Cr涂层的TC4钛合金在不同氧压下进行的富氧点燃试验，研究了镀Cr层厚 度对TC4钛合金燃烧性能的影响规律，并通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,,SEM)、能谱分析(Energy dispersive spectrometer,.EDS)和X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等手段进行显微组织分析，结果表明：当Cr层厚度为 15um和30μm时，对TC4的燃烧临界氧压无明显影响，而Cr层厚度增加到60m时，可将TC4的燃烧临界氧压由0.07MPa 提高至0.15MPa同时.燃烧速率随Cr层厚度的增加而降低，说明Cr层厚度的增加能有效抑制火焰传播速度.其作用机理 可能是在燃烧的过程中，表层C元素通过固相扩散、熔化等方式进入熔池，与合金中的A!、V元素共同析出，形成了弥散分 布的富Cr、AL、V相，并减少了A!与O的结合，对O元素的扩散有阻碍作用，从而降低了燃烧速率 关键词TC4:镀Cr;燃烧：氧：扩散 分类号TG146.4 Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy XIONG Jia-shuai,HUANG Jin-feng,XIE Guo-liang,YU Jia-bin,ZHANG Cheng,SHAO Lei,WANG Ya-yu,LI Hong-ying, HE Guang-yu) 1)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Aerospace Engineering,Air Force Engineering University,Xian 710100,China Corresponding author,E-mail:ustbhuangif@163.com ABSTRACT Titanium alloys are widely used in aviation industry because of their high specific strength,corrosion resistance,and heat resistance.They are widely used in aircraft engine compressor to improve the thrust-to-weight ratio of an aircraft engine.However,they are easily burning because of their low thermal conductivity and high combustion heat.Under some conditions,titanium blades rubbing with their casees to generate a large amount of heat,and finally burns.To meet the requirements of advanced aero engines and prevent the burning of titanium alloys,we must understand the mechanism of titanium alloys combustion.In this study,TC4 titanium alloys coated with Cr coatings with different thicknesses (0,15,30,and 60 um)were subjected to oxygen-enriched atmosphere under different oxygen pressures.The effect of chrome plating thickness on the combustion properties of TC4 titanium alloys was reported,and microstructure analyses were carried out through SEM,EDS and XRD.Results show that chrome plating thickness has no obvious effect on the critical oxygen pressure of TC4 when the Cr layer thickness is less than 30 um.The pressure threshold of TC4 increases from 0.07 MPa to 0.15 MPa,when the Cr layer thickness increases to 60 um,which is about two times higher than the pressure threshold of the substrate.Burning velocity decreases as the Cr layer thickness increases,indicating that a thick Cr layer can effectively inhibit the flame propagation speed.In the underlying action mechanism during combustion,surface Cr enters the molten pool via diffusion and melting and precipitates with Al and V in the alloy to form a Cr-,Al-,and V-rich dispersion cloth phase.The combination of Al and O is 收稿日期：2019-08-10

电镀 Cr 涂层对 TC4 钛合金燃烧性能的影响 熊家帅1)，黄进峰1) 苣，解国良1)，喻嘉彬1)，张    诚1)，邵    磊1)，王亚宇1)， 李洪莹1)，何光宇2) 1) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083    2) 空军工程大学航空航天工程学院，西安 710100 苣通信作者，E-mail：ustbhuangjf@163.com 摘    要    通过对镀有不同厚度（0、15、30、60 μm）Cr 涂层的 TC4 钛合金在不同氧压下进行的富氧点燃试验，研究了镀 Cr 层厚 度对 TC4 钛合金燃烧性能的影响规律，并通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscope, SEM）、能谱分析（Energy dispersive spectrometer，EDS）和 X 射线衍射（X-ray diffraction, XRD）等手段进行显微组织分析. 结果表明：当 Cr 层厚度为 15 μm 和 30 μm 时，对 TC4 的燃烧临界氧压无明显影响，而 Cr 层厚度增加到 60 μm 时，可将 TC4 的燃烧临界氧压由 0.07 MPa 提高至 0.15 MPa. 同时，燃烧速率随 Cr 层厚度的增加而降低，说明 Cr 层厚度的增加能有效抑制火焰传播速度. 其作用机理 可能是在燃烧的过程中，表层 Cr 元素通过固相扩散、熔化等方式进入熔池，与合金中的 Al、V 元素共同析出，形成了弥散分 布的富 Cr、Al、V 相，并减少了 Al 与 O 的结合，对 O 元素的扩散有阻碍作用，从而降低了燃烧速率. 关键词    TC4；镀 Cr；燃烧；氧；扩散 分类号    TG146.4 Effect of electroplating Cr coating on combustion characteristics of TC4 titanium alloy XIONG Jia-shuai1) ，HUANG Jin-feng1) 苣 ，XIE Guo-liang1) ，YU Jia-bin1) ，ZHANG Cheng1) ，SHAO Lei1) ，WANG Ya-yu1) ，LI Hong-ying1) ， HE Guang-yu2) 1) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Aerospace Engineering, Air Force Engineering University, Xian 710100, China 苣 Corresponding author, E-mail：ustbhuangjf@163.com ABSTRACT    Titanium alloys are widely used in aviation industry because of their high specific strength, corrosion resistance, and heat resistance. They are widely used in aircraft engine compressor to improve the thrust-to-weight ratio of an aircraft engine. However, they are easily burning because of their low thermal conductivity and high combustion heat. Under some conditions, titanium blades rubbing with their casees to generate a large amount of heat, and finally burns. To meet the requirements of advanced aero engines and prevent the burning of titanium alloys, we must understand the mechanism of titanium alloys combustion. In this study, TC4 titanium alloys coated with Cr coatings with different thicknesses (0, 15, 30, and 60 μm) were subjected to oxygen-enriched atmosphere under different oxygen  pressures.  The  effect  of  chrome  plating  thickness  on  the  combustion  properties  of  TC4  titanium  alloys  was  reported,  and microstructure analyses were carried out through SEM, EDS and XRD. Results show that chrome plating thickness has no obvious effect on the critical oxygen pressure of TC4 when the Cr layer thickness is less than 30 μm. The pressure threshold of TC4 increases from 0.07 MPa to 0.15 MPa, when the Cr layer thickness increases to 60 μm, which is about two times higher than the pressure threshold of the substrate. Burning velocity decreases as the Cr layer thickness increases, indicating that a thick Cr layer can effectively inhibit the flame propagation speed. In the underlying action mechanism during combustion, surface Cr enters the molten pool via diffusion and melting and precipitates with Al and V in the alloy to form a Cr-, Al-, and V-rich dispersion cloth phase. The combination of Al and O is 收稿日期: 2019−08−10 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期：1007−1017，2020 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 8: 1007−1017, August 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.10.001; http://cje.ustb.edu.cn

·1008 工程科学学报，第42卷，第8期 reduced,thereby hindering of O diffusion and reducing the burning rate KEY WORDS TC4:chrome plating;combustion;oxygen;diffusion 钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高 合金表面制备纯C涂层，且具有成本低、工艺简 等特点在航空、航天、化工、兵器、舰船、汽车、建 单、适用于各种形状的零件等优点，因其具有优异 筑、医疗等领域有着广阔的应用前景山然而，因 的耐磨性及抗氧化性能已被广泛应用于钛合金零 其硬度低、耐磨性差、导热性差等特点，在极端工 件的防护，如钛合金飞机起落架7及钛合金迫击 况下，存在着燃烧敏感性强的问题.例如为了增加 炮身管网.研究发现Ti-Cr-V系阻燃钛合金的阻 飞机发动机的推重比，钛合金材料常用于航空飞 燃机理是能形成致密的Cr的氧化膜而具有优良 机发动机压气机叶片，在偶然状况下，叶片与机匣 的抗燃烧性能，因此电镀Cr涂层也有利于提高 摩擦四，会产生大量的热，由于本身导热性差，在高 钛合金抗燃性能，但还鲜有报道 的热量累积与外部工况（高温、高压、高速气流） 因此本文采用电镀硬Cr的方式制备了不同厚 的共同作用下，使得钛合金叶片的局部能量超过 度Cr涂层的TC4钛合金，并通过富氧点燃试验 其燃烧所需要的临界能量，到达某一临界温度B, (Promoted ignition-combustion test,.PIC),分析了镀 使其发生像木材、尼龙一样的燃烧现象，具体特征 Cr后的TC4钛合金的抗燃烧性能，研究Cr层厚度 为体积减少，有火光产生，并产生大量的热1燃 对燃烧性能的影响规律.同时，对镀Cr后的 烧时的瞬间温度高达2700℃，速度极快，一旦发 TC4钛合金的燃烧行为进行观察，采用氩气对正 生燃烧，来不及采取灭火措施，会造成不可估量的 在燃烧的棒材进行强制熄灭，并对燃烧产物进 损失为了解决这一关键问题，进行了大量的尝 行分析，探究电镀C层在燃烧过程中的作用，以 试，开发了一系列阻燃钛合金和耐燃涂层.美国和 期为未来进一步研究钛合金阻燃涂层及其机理问 俄罗斯的研究人员先后研究出Ti-Cr-V系及 题起到一定的参考作用 Ti-Cu系阻燃钛合金.但随着推重比的进一步提 1试验材料及方法 高，阻燃钛合金因重量较高已不能满足服役需求 因此，合适的阻燃涂层是提高钛合金抗燃烧性能 1.1材料 的关键技术0-) 本文采用商用TC4钛合金（退火态），化学成 在阻燃涂层的研究中，主要集中在以下几类， 分如表1所示 是具有良好隔热性能的涂层，如ZO2等；二是 1.2试验过程 由钇稳定二氧化锆(YSZ)的热障涂层与可磨耗封 1.2.1镀Cr工艺 严面层构成的复合涂层：三是利用双层辉光等离 商用TC4钛合金棒材尺寸为3.2mm×50mm, 子渗技术在表面渗入Cr、Cu、Mo等合金元素，形成 按照以下流程进行镀C:清洗（除油、脱脂）→喷 Ti-Cr、Ti-Cu、Ti-Mo等表面阻燃合金层等4- 砂→酸洗+活化前处理→电镀硬Cr.电镀硬Cr工 因Cu、Cr和Ti在高温下有比较大的固溶度，常常 艺及参数为：CrO3的浓度为500gL,浓H2SO4为 作为复合阻燃涂层的底层，来防止熔点较低的第 2.5gL,温度为25~30℃，电流密度为30Adm2 二层(Ni、Co、Ag等)向基体扩散6.在钛合金表 沉积速率约为30umh.电镀完后的试样，在1~ 面渗Cr时，Cr元素原子浓度在14%以上时，才可 2h内，放在200℃的恒温鼓风千燥箱，保温2h, 以实现抗烧蚀性能.而双层辉光等离子渗Cr技 进行去氢处理.通过控制电镀时间，来获取不同厚 术，其Cr元素呈梯度分布，最高原子浓度约为 度的镀Cr层，如图1 20%啊，其浓度受制于Cr元素在基体金属中的溶 1.2.2燃烧试验 解度且制备成本较高.相对而言，电镀硬C是一 采用金属材料富氧燃烧试验中应用最广的 种工艺成熟的传统表面处理技术四，不仅可以在钛 PIC实验，实验过程参考ASTM GI:24-10(Standard 表1TC4钛合金化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy(mass fraction) % Al Fe N H 0 Ti 5.56.8 3.5w4.5 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.015 ≤020 bal

reduced, thereby hindering of O diffusion and reducing the burning rate. KEY WORDS    TC4；chrome plating；combustion；oxygen；diffusion 钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高 等特点在航空、航天、化工、兵器、舰船、汽车、建 筑、医疗等领域有着广阔的应用前景[1] . 然而，因 其硬度低、耐磨性差、导热性差等特点，在极端工 况下，存在着燃烧敏感性强的问题. 例如为了增加 飞机发动机的推重比，钛合金材料常用于航空飞 机发动机压气机叶片，在偶然状况下，叶片与机匣 摩擦[2] ，会产生大量的热，由于本身导热性差，在高 的热量累积与外部工况（高温、高压、高速气流） 的共同作用下，使得钛合金叶片的局部能量超过 其燃烧所需要的临界能量，到达某一临界温度[3−4] ， 使其发生像木材、尼龙一样的燃烧现象，具体特征 为体积减少，有火光产生，并产生大量的热[5−8] . 燃 烧时的瞬间温度高达 2700 ℃，速度极快，一旦发 生燃烧，来不及采取灭火措施，会造成不可估量的 损失[9] . 为了解决这一关键问题，进行了大量的尝 试，开发了一系列阻燃钛合金和耐燃涂层. 美国和 俄罗斯的研究人员先后研究 出 Ti –Cr – V 系 及 Ti–Cu 系阻燃钛合金. 但随着推重比的进一步提 高，阻燃钛合金因重量较高已不能满足服役需求. 因此，合适的阻燃涂层是提高钛合金抗燃烧性能 的关键技术[10−13] . 在阻燃涂层的研究中，主要集中在以下几类， 一是具有良好隔热性能的涂层，如 ZrO2 等；二是 由钇稳定二氧化锆（YSZ）的热障涂层与可磨耗封 严面层构成的复合涂层；三是利用双层辉光等离 子渗技术在表面渗入 Cr、Cu、Mo 等合金元素，形成 Ti–Cr、Ti–Cu、Ti–Mo 等表面阻燃合金层等[14−16] . 因 Cu、Cr 和 Ti 在高温下有比较大的固溶度，常常 作为复合阻燃涂层的底层，来防止熔点较低的第 二层（Ni、Co、Ag 等）向基体扩散[16] . 在钛合金表 面渗 Cr 时，Cr 元素原子浓度在 14% 以上时，才可 以实现抗烧蚀性能. 而双层辉光等离子渗 Cr 技 术 ，其 Cr 元素呈梯度分布 ，最高原子浓度约为 20% [15] ，其浓度受制于 Cr 元素在基体金属中的溶 解度且制备成本较高. 相对而言，电镀硬 Cr 是一 种工艺成熟的传统表面处理技术[1] ，不仅可以在钛 合金表面制备纯 Cr 涂层，且具有成本低、工艺简 单、适用于各种形状的零件等优点，因其具有优异 的耐磨性及抗氧化性能已被广泛应用于钛合金零 件的防护，如钛合金飞机起落架[17] 及钛合金迫击 炮身管[18] . 研究发现 Ti–Cr–V 系阻燃钛合金的阻 燃机理是能形成致密的 Cr 的氧化膜而具有优良 的抗燃烧性能[12] ，因此电镀 Cr 涂层也有利于提高 钛合金抗燃性能，但还鲜有报道. 因此本文采用电镀硬 Cr 的方式制备了不同厚 度 Cr 涂层的 TC4 钛合金，并通过富氧点燃试验 （Promoted ignition-combustion test，PIC），分析了镀 Cr 后的 TC4 钛合金的抗燃烧性能，研究 Cr 层厚度 对燃烧性能的影响规律 . 同时 ，对 镀 Cr 后 的 TC4 钛合金的燃烧行为进行观察，采用氩气对正 在燃烧的棒材进行强制熄灭[14] ，并对燃烧产物进 行分析，探究电镀 Cr 层在燃烧过程中的作用，以 期为未来进一步研究钛合金阻燃涂层及其机理问 题起到一定的参考作用. 1    试验材料及方法 1.1    材料 本文采用商用 TC4 钛合金（退火态），化学成 分如表 1 所示. 1.2    试验过程 1.2.1    镀 Cr 工艺 商用 TC4 钛合金棒材尺寸为 ϕ3.2 mm×50 mm， 按照以下流程进行镀 Cr：清洗（除油、脱脂） →喷 砂→酸洗+活化前处理→电镀硬 Cr. 电镀硬 Cr 工 艺及参数为：CrO3 的浓度为 500 g∙L−1 ，浓 H2SO4 为 2.5 g∙L−1，温度为 25～30 ℃，电流密度为 30 A∙dm−2 . 沉积速率约为 30 μm∙h−1 . 电镀完后的试样，在 1～ 2 h 内，放在 200 ℃ 的恒温鼓风干燥箱，保温 2 h， 进行去氢处理. 通过控制电镀时间，来获取不同厚 度的镀 Cr 层，如图 1. 1.2.2    燃烧试验 采用金属材料富氧燃烧试验中应用最广的 PIC 实验，实验过程参考 ASTM G124–10（Standard 表 1  TC4 钛合金化学成分 (质量分数) Table 1  Chemical composition of TC4 titanium alloy（mass fraction） % Al V Fe C N H O Ti 5.5～6.8 3.5～4.5 ≤0.30 ≤0.10 ≤0.05 ≤0.015 ≤0.20 bal · 1008 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期

熊家帅等：电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响 ·1009· 40m 40m 40 um 图1电沉积时间与厚度的关系.(a)0.5h:(b)1h:(c)2h Fig.1 Diagram of plating time and thickness:(a)0.5 h;(b)1 h;(c)2 h test method for determining the combustion behavior of 端积聚，并出现熔池，火焰呈现橘黄色，熔池在重 metallic materials in oxygen-enriched atmospheres) 力的作用下滴落，在滴落的过程中，熔池仍在燃 准，采用自行设计的设备（图2），对尺寸为Φ3.2mm× 烧.一旦燃烧开始，这一过程不断重复，直至样品 50mm的TC4基体及镀有15、30、60umCr层的 被烧完，燃烧的过程中伴随飞溅和烟雾.试验发 样品进行燃烧试验.操作如下：将样品一端固定在 现：氧压越低，熔池滴落的速度越慢，燃烧过程中 样品架上，金属镁为引燃物，质量为0.05g,抽真空 飞溅现象越明显，产生的烟雾也越多.这是因为在 至0.01MP.充入氧气（体积纯度99%）至所需压 燃烧的过程中，燃烧速度越慢，单位时间内进入熔 力，通过电阻丝加热引燃，在不同氧压下进行 池的原料就越少，形成熔池及熔池滴落的速度也 PIC实验.用高速摄像机记录燃烧过程.采集样品 越慢，氧气有足够的时间进入熔池，随之燃烧越发 时，在0.15MPa下，通入氩气强制熄灭，收集挥发 充分，燃烧熔池的温度也就越高，而沸点较低的氧 颗粒，把样品打磨、抛光，抛光后用腐蚀液(HF、 化物就会挥发，造成大量的飞溅及烟雾.从燃烧现 HNO3和HO的体积比为1：3：6)对样品进行腐 象的分析可知，Cr层并不能阻止TC4钛合金燃烧 蚀，最后用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等 时的飞溅. 方法进行观察分析 2.2不同厚度的Cr层对TC4燃烧临界氧压的影响 影响燃烧临界氧压的因素主要有以下三类： (1)材料特征，主要包括化学成分、形状、尺寸等： Inlet Outlet (2)点燃特征，主要包括引燃物的种类、局部温度 热量的输入等：(3)氧化剂特征，如总压力、氧分压 Sample holder Sample 等.测试样品均在形状、尺寸及引燃物用量都确 定的情况下，分析Cr层厚度对TC4燃烧临界氧压 Igniter Promoter 的影响.图4为TC4基体、镀有15、30、60m厚度Cr Catch cup Sight glass 层的样品在富氧点燃工况下燃烧的临界氧压.从 Heating system and 图中可以看出，TC4钛合金在富氧点燃工况下的燃 associated Power supply temperature sensors feed throughs 烧临界氧压为0.07MPa.当Cr层厚度为l5m和 are implemented for heated testing 30m时，对TC4燃烧的临界氧压影响不大.但当涂 图2富氧点燃试验装置原理图网 层厚度为60um时，TC4的临界氧压升高到0.15MPa, Fig.2 Schematic ofthe PIC test apparatus 约为基体的2倍.这说明Cr层较薄时，不会对 TC4钛合金的临界氧压产生明显影响，C层越厚， 2试验结果 对TC4钛合金临界氧压的影响越明显.因此，镀层 2.1镀Cr后TC4燃烧过程观察 厚度是影响TC4钛合金临界氧压的主要因素 图3是对Cr层厚度为60um的TC4棒材在 2.3不同厚度的Cr层对TC4燃烧速率的影响 02MPa氧压下燃烧过程的原位观察.从图3(b)和 燃烧速率指单位时间内熔体界面的运动速率 图3（©）中可以看出镁条引燃瞬间，发出耀眼白光， 图5为TC4钛合金及镀有15、30、60mCr层的样品 由于镁条燃烧释放大量热量，试样开始被引燃时， 的燃烧速率与氧压的关系图.从图中可以看出氧 火光呈现亮白色.随着燃烧的进行，燃烧热在燃烧 压越高，镀Cr后的TC4钛合金燃烧速率越快.同

test method for determining the combustion behavior of metallic materials in oxygen-enriched atmospheres）标 准，采用自行设计的设备（图 2），对尺寸为 ϕ3.2 mm× 50 mm 的 TC4 基体及镀有 15、30、60 μm Cr 层的 样品进行燃烧试验. 操作如下：将样品一端固定在 样品架上，金属镁为引燃物，质量为 0.05 g，抽真空 至 0.01 MPa，充入氧气（体积纯度 99%）至所需压 力 ，通过电阻丝加热引燃 ，在不同氧压下进 行 PIC 实验. 用高速摄像机记录燃烧过程. 采集样品 时，在 0.15 MPa 下，通入氩气强制熄灭，收集挥发 颗粒，把样品打磨、抛光，抛光后用腐蚀液（HF、 HNO3 和 H2O 的体积比为 1∶3∶6）对样品进行腐 蚀，最后用扫描电镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）等 方法进行观察分析. 2    试验结果 2.1    镀 Cr 后 TC4 燃烧过程观察 图 3 是对 Cr 层厚度为 60 μm 的 TC4 棒材在 0.2 MPa 氧压下燃烧过程的原位观察. 从图 3（b）和 图 3（c）中可以看出镁条引燃瞬间，发出耀眼白光， 由于镁条燃烧释放大量热量，试样开始被引燃时， 火光呈现亮白色. 随着燃烧的进行，燃烧热在燃烧 端积聚，并出现熔池，火焰呈现橘黄色，熔池在重 力的作用下滴落，在滴落的过程中，熔池仍在燃 烧. 一旦燃烧开始，这一过程不断重复，直至样品 被烧完，燃烧的过程中伴随飞溅和烟雾. 试验发 现：氧压越低，熔池滴落的速度越慢，燃烧过程中 飞溅现象越明显，产生的烟雾也越多. 这是因为在 燃烧的过程中，燃烧速度越慢，单位时间内进入熔 池的原料就越少，形成熔池及熔池滴落的速度也 越慢，氧气有足够的时间进入熔池，随之燃烧越发 充分，燃烧熔池的温度也就越高，而沸点较低的氧 化物就会挥发，造成大量的飞溅及烟雾. 从燃烧现 象的分析可知，Cr 层并不能阻止 TC4 钛合金燃烧 时的飞溅. 2.2    不同厚度的 Cr 层对 TC4 燃烧临界氧压的影响 影响燃烧临界氧压的因素主要有以下三类： （1）材料特征，主要包括化学成分、形状、尺寸等； （2）点燃特征，主要包括引燃物的种类、局部温度 热量的输入等；（3）氧化剂特征，如总压力、氧分压 等. 测试样品均在形状、尺寸及引燃物用量都确 定的情况下，分析 Cr 层厚度对 TC4 燃烧临界氧压 的影响. 图4 为TC4 基体、镀有15、30、60 μm 厚度Cr 层的样品在富氧点燃工况下燃烧的临界氧压. 从 图中可以看出，TC4 钛合金在富氧点燃工况下的燃 烧临界氧压为 0.07 MPa. 当 Cr 层厚度为 15 μm 和 30 μm 时，对 TC4 燃烧的临界氧压影响不大. 但当涂 层厚度为 60 μm 时，TC4 的临界氧压升高到 0.15 MPa， 约为基体的 2 倍. 这说明 Cr 层较薄时 ，不会对 TC4 钛合金的临界氧压产生明显影响，Cr 层越厚， 对 TC4 钛合金临界氧压的影响越明显. 因此，镀层 厚度是影响 TC4 钛合金临界氧压的主要因素. 2.3    不同厚度的 Cr 层对 TC4 燃烧速率的影响 燃烧速率指单位时间内熔体界面的运动速率. 图 5 为 TC4 钛合金及镀有 15、30、60 μm Cr 层的样品 的燃烧速率与氧压的关系图. 从图中可以看出氧 压越高，镀 Cr 后的 TC4 钛合金燃烧速率越快. 同 (b) 30.3 μm 40 μm (a) 14.6 μm 40 μm 59.2 μm 40 μm (c) 图 1    电沉积时间与厚度的关系. （a）0.5 h；（b）1 h；（c）2 h Fig.1    Diagram of plating time and thickness: (a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 2 h Inlet Outlet Sample holder Sample Igniter Promoter Catch cup Sight glass Heating system and associated temperature sensors are implemented for heated testing Power supply feed throughs 图 2    富氧点燃试验装置原理图[19] Fig.2    Schematic of the PIC test apparatus 熊家帅等： 电镀 Cr 涂层对 TC4 钛合金燃烧性能的影响 · 1009 ·

·1010 工程科学学报，第42卷，第8期 (a) (b) (c) (d) (e) () (g) Dripping 10 mm 图3镀有60umCr层的TC4合金燃烧过程观察.(a)16.5s:(b)16.9s(c)17.5s:(d)18s:(e)19.6s(f)20s:(g)20.6s:(h)22s Fig.3 Combustion process of TC4 alloy coated with 60 um chromium layer:(a)16.5 s;(b)16.9 s;(c)17.5 s,(d)18 s;(e)19.6 s;(f)20 s;(g)20.6 s;(h) 22s 0.16 2.4燃烧后的形貌与成分分析 0.15 0.14 2.4.1燃烧后的宏观形貌分析 0.12 图6为镀Cr层厚度为60um时，经氩气吹灭 0.10 0.10 0.09 后样品的宏观形貌.从图中可以发现，熔池的表层 0.08 0.07 有一层较疏松、易脱落的红色氧化物.说明燃烧 0.06 只发生在熔池表层.当红色疏松层脱落后，暴露出 0.04 来的是黑色氧化层.同时在热影响区与熔池的交 0.02 界处，有一层黑色氧化物.远离热影响区的基体， 0 15 30 镀C层完好无损，说明在燃烧过程中，并不存在 Thickness/mm Cr层的脱落 图4Cr层厚度与TC4燃烧临界氧压的关系 Fig.4 Relationship between the thickness of chromium layer and the threshold pressure of TC4 alloy 15 -TC4 ·TC4+15mCr TC4+30 um Cr Matrix -TC4+60μmCr ■ 9 ∠_Heat affected zone 8 Fusion zone-> 0.100.150.200.250.300.350.40 下 Surface oxide Pressure/MPa 1cm 图5Cr层厚度与燃烧速率之间的关系 图6镀C·后的样品燃烧时被氩气吹灭后的宏观形貌 Fig.5 Combustion velocity-pressure relationship with different Fig.6 Macroscopic morphology of chrome-plated samples after being chromium layer thickness blown away by argon 一氧压下，Cr层越厚，燃烧速率越慢.当C层厚度 2.4.2燃烧后的微观组织及成分分析 为15um时，并不能明显降低TC4的燃烧速率.当 图7是TC4钛合金燃烧后的SEM图.从图7 Cr层厚度为60um时，在0.2MPa的氧压下，可以将 中可看出，TC4燃烧后的组织主要包含I一氧化 基体的燃烧速率降低约30%.因此镀层厚度也是影 物区、Ⅱ一熔化区、一过渡区、V一热影响区 响TC4钛合金在富氧环境中燃烧速率的重要因素 (近过渡区一端)及未参与燃烧的基体（Ⅲ为熔化

一氧压下，Cr 层越厚，燃烧速率越慢. 当 Cr 层厚度 为 15 μm 时，并不能明显降低 TC4 的燃烧速率. 当 Cr 层厚度为 60 μm 时，在 0.2 MPa 的氧压下，可以将 基体的燃烧速率降低约 30%. 因此镀层厚度也是影 响 TC4 钛合金在富氧环境中燃烧速率的重要因素. 2.4    燃烧后的形貌与成分分析 2.4.1    燃烧后的宏观形貌分析 图 6 为镀 Cr 层厚度为 60 μm 时，经氩气吹灭 后样品的宏观形貌. 从图中可以发现，熔池的表层 有一层较疏松、易脱落的红色氧化物. 说明燃烧 只发生在熔池表层. 当红色疏松层脱落后，暴露出 来的是黑色氧化层. 同时在热影响区与熔池的交 界处，有一层黑色氧化物. 远离热影响区的基体， 镀 Cr 层完好无损，说明在燃烧过程中，并不存在 Cr 层的脱落. 2.4.2    燃烧后的微观组织及成分分析 图 7 是 TC4 钛合金燃烧后的 SEM 图. 从图 7 中可看出，TC4 燃烧后的组织主要包含Ⅰ—氧化 物区、Ⅱ—熔化区、Ⅵ—过渡区、Ⅴ—热影响区 （近过渡区一端）及未参与燃烧的基体（Ⅲ为熔化 Dripping (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Sample Mg Splash (a) 10 mm 图 3    镀有 60 μm Cr 层的 TC4 合金燃烧过程观察. （a）16.5 s；（b）16.9 s；（c）17.5 s；（d）18 s；（e）19.6 s；（f）20 s；（g）20.6 s；（h）22 s Fig.3    Combustion process of TC4 alloy coated with 60 μm chromium layer: (a) 16.5 s; (b) 16.9 s; (c) 17.5 s; (d) 18 s; (e) 19.6 s; (f)20 s; (g) 20.6 s; (h) 22 s 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0 15 30 60 Thickness/mm 0.15 0.10 0.09 0.07 Threshold pressure/MPa 图 4    Cr 层厚度与 TC4 燃烧临界氧压的关系 Fig.4     Relationship  between  the  thickness  of  chromium  layer  and  the threshold pressure of TC4 alloy 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Combustion velocity/(mm·s−1 ) Pressure/MPa TC4 TC4+15 µm Cr TC4+30 µm Cr TC4+60 µm Cr 图 5    Cr 层厚度与燃烧速率之间的关系 Fig.5     Combustion  velocity-pressure  relationship  with  different chromium layer thickness 1 cm Matrix Heat affected zone Surface oxide Fusion zone 图 6    镀 Cr 后的样品燃烧时被氩气吹灭后的宏观形貌 Fig.6     Macroscopic  morphology  of  chrome-plated  samples  after  being blown away by argon · 1010 · 工程科学学报，第 42 卷，第 8 期