电弧离子镀Al扩散障结构及抗高温氧化性能研究

采用电弧离子镀技术(AIP)在HY3(NiCrAlYSi)涂层与镍基高温合金(K5合金)之间沉积一层Al薄膜经过马弗炉870℃加热1h形成Al2O3作为扩散障层,研究了Al2O3对HY3(NiCrAlYSi)涂层与基体的元素互扩散的阻碍作用和对涂层氧化动力曲线的影响。对于添加扩散障层前后的试样,进行循环抗氧化试验来评价其抗高温氧化性能,并用扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样微观形貌和成分,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构。试验结果表明:Al2O3有效阻止基体与涂层之间的元素互扩散,提高了HY3(NiCrAlYSi)涂层和K5合金的抗高温氧化性能。     

CrN中间层阻挡元素扩散的能力研究

为了降低涂层和基体间的元素互扩散,采用电弧离子镀技术在NiCrAlY防护涂层和DSM11基体间加入CrN扩散阻挡层。用扫描电镜(SEM)观察了沉积态CrN涂层、退火和氧化态NiCrAlY/DSM11和NiCrAlY/CrN/DSM11的表面和截面形貌;通过能谱(EDS)分析了元素沿防护涂层和扩散阻挡层的截面分布;用X射线衍射仪(XRD)检测了防护涂层和扩散阻挡层的物相结构;用透射电镜(TEM)观察了样品退火和氧化后扩散阻挡层的形貌特征;利用1100℃恒温氧化实验比较了单一NiCrAlY涂层和NiCrAlY/CrN涂层体系的抗氧化能力,结合真空扩散实验分析了高温情况下元素在涂层和基体间的扩散。结果表明:CrN扩散阻挡层能有效地抑制合金元素的互扩散。其原因与高温下CrN→Cr2N→TiN的转变有关;TiN在扩散阻挡层的生成有利于防护涂层抗氧化能力的提高。     

铂铝黏结层体系EB-PVD热障涂层的热循环行为

在镍基单晶高温合金基体上采用化学气相沉积法制备铂铝金属黏结层,并采用电子束物理气相沉积制备氧化钇部分稳定化的氧化锆(YSZ)陶瓷面层。研究了黏结层相组成对热障涂层循环氧化行为的影响,借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)和X-射线衍射分析(XRD)等方法分析涂层的相结构、显微组织和化学成分。结果表明：黏结层主要成分包括Ni、Al、Pt、Co和Cr元素并由β-(Ni,Pt)Al相和PtAl₂相组成;经热循环测试后,涂层在热生长氧化物(TGO)和黏结层内部及其界面可能出现剥离;随着热暴露时间的延长,TGO层处的残余应力总体上呈现出逐渐减小的演变趋势;控制铂铝黏结层前驱体活性、Pt/Al元素含量、抑制脆性PtAl₂相生成、改善TGO层/黏结层界面韧性和降低TGO层应力应变水平可有效延长铂铝黏结层体系热障涂层的热循环寿命。     

K3合金MCrAlY保护涂层的结构和性能研究

本工作研究了JR1(Ni40Cr10A10.3Y)、JR3(Co25Cr10A10.4Y)和JR4(Ni20Cr20A10.3YO.8Si)三种磁控溅射沉积(MSD)抗热腐蚀MCrAlY(M=Ni,Co或NiCo)的结构和性能。基体为K3合金。结果表明,这三种涂层均由γ'—Ni(Co)_3A1和β—MA1相组成。三种涂层中γ'—Ni(Co)_3Al和β—MA1相中A1和Cr的含量明显不同,这两种相的组合方式也不同。但基本上都有一个β—Ni(Co)A1+γ’—Ni(Co)_3Al的外层和γ'—Ni(Co)_3的内层。它们的抗热腐蚀性能达到或高于国外同类涂层的水平;对K3合金的高温持久和高周疲劳性能没有影响或略有改善。     

NiCrAlYSi涂层/DD6单晶高温合金界面再结晶和互扩散行为

采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)在单晶高温合金DD6基体上沉积NiCrAlYSi涂层.利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及透射电镜(TEM)等研究了高温扩散过程中NiCrAlYSi/DD6的界面再结晶和互扩散行为.研究结果表明合金表面喷砂处理后的涂层试样经1 323 K真空热处理4 ...     

高(Cr,Al)含量NiCrAl(Y)涂层电沉积制备及抗高温氧化性能

NiCrAlY型涂层是典型的抗高温氧化涂层以及热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)的黏结层(bond coat,BC)。高性能NiCrAlY涂层一般采用物理气相沉积的方法制备,本工作在金属基体预沉积的纳米颗粒CrAl电泳层中电沉积Ni,制备NiCrAl涂层。涂层的微观结构和成分分析表明:涂层致密并与金属基体结合好,CrAl纳米颗粒分散均匀、(Cr+Al)含量高达35%(质量分数,下同)。氧化结果表明:通过成分调控,即调控Cr/Al含量比,可使涂层在1000℃空气中氧化时分别"智能"热生长保护性Cr_2O_3膜或Al_2O_3膜;并且涂层在长时间氧化过程中,氧化膜不剥落,显示此工艺制备NiCrAl的抗氧化性能可与PVD制备的NiCrAlY涂层的相媲美。     

DZ125合金真空电弧镀沉积复合涂层技术

采用真空电弧镀技术(arc ion plating,AIP)在DZ125定向高温合金基体上制备60μm沉积-扩散型复合涂层(NiCrAlYSi+AlYSi)。通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析涂层的组织及结构,涂层外层形成大量的β-NiAl相,涂层中Al浓度自外向内逐渐降低,形成具有浓度梯度的复合涂层,有利于高温下涂层表面形成致密的Al2O3保护膜,提高表面保护膜的自愈能力。对沉积-扩散型复合涂层的试样进行1150℃抗氧化实验和900℃抗热腐蚀等实验,评价其抗氧化、抗腐蚀性能,对涂层氧化速率及腐蚀速率进行表征。结果表明:复合涂层明显改善了合金的抗高温氧化性能,承温能力明显提高,寿命延长。     

CrON扩散阻挡层对NbCrAl涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响

利用磁控溅射技术在C103型Nb基高温合金上制备了含和不含CrON扩散阻挡层的NbCrAl涂层,对比研究了2种涂层分别经900℃和1000℃真空热处理后的元素扩散行为。结果表明:NbCrAl涂层以Cr₂Nb和AlNb₂相为主,含非晶态组织;真空热处理后生成了NbAl₃和(Nb,Cr)沉淀相。热处理温度由900℃升至1000℃时,NbCrAl涂层中元素扩散速度加快。不含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散至基体的含量分别为2.76wt%和1.21wt%,而含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散到基体的含量分别仅为2.52wt%和0.84wt%。扩散阻挡层保持连续,且与涂层及基体的界面结合良好,经高温处理后主要以密排六方结构的Cr₂O₃和Al₂O₃相为主,有效地抑制了元素互扩散。     

含铼单晶高温合金铝化物涂层的高温氧化行为

采用低压气相沉积法,在镍基高温合金DD32上制备铝化物涂层.涂层外层为β-NiAl,内层(扩散层)宽度接近外层,富集Re.在900℃,1000℃氧化500小时后,表面氧化膜为致密的α-Al2O3 和针状的θ-Al2O3,氧化动力学基本符合抛物线规律.氧化后的铝化物涂层外层为β-NiAl,有贫Al的Ni3Al沿晶界析出;内层(扩散层)母体为Ni3Al,并析出块状的富Re和W的化合物.     

Ni3Al基合金IC6的防护涂层研究

采用离子电弧镀的方法在Ni3Al基合金IC6上制备了NiCrAlY、NiCoCrAlY和NiCoCrAlYHf三种不同成分的MCrAⅨ包覆涂层,观察了涂层的微观组织,测试了带涂层试样的拉伸和高温持久等主要力学性能以及抗氧化和抗腐蚀性能.实验结果表明涂层与合金基体的结合良好,各涂层均由γ′,γ,β和α-Cr组成.扩散处理后,基体材料与涂层发生了元素的互扩散.NiCrAlY、NiCoCrAlY和NiCoCrAlYHf涂层对IC6合金的高温抗氧化性能和高温抗热腐蚀性能均有明显改善,NiCoCrAlYHf涂层在改善腐蚀性能方面效果更显著,NiCoCrAlY和NiCoCrAlYHf涂层对合金的力学性能影响不大,而高Cr含量的NiCrAlY由于在高温下对IC6合金的持久性能影响较大,不适用于IC6合金.本研究条件下的NiCoCrAlY和NiCoCrAlYHf涂层能对IC6合金起到很好的防护作用.     

Ru过渡层对NiCoCrAlY涂层与DD6单晶高温合金界面扩散行为的影响

针对第二代单晶高温合金DD6开展了一种具有阻扩散功能的金属防护涂层的探索性研究.采用电镀和电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法在DD6单晶高温合金上制备了NiCoCrAlY/Ru双层结构涂层,同时采用EB-PVD在单晶合金上沉积了单层NiCoCrAlY涂层.研究结果表明,在1 050℃大气环境中扩散处理300 h后,...     

热暴露对带热障涂层DD6单晶高温合金组织的影响

采用0.3 MPa压力对DD6单晶高温合金进行水吹砂,然后用电子束物理气相沉积的方法在DD6合金基体上制备了热障涂层,将带热障涂层试样置于1100℃空气气氛中分别进行50 h和100 h热暴露,在1100℃/130 MPa条件下测试持久性能。研究了水吹砂及高温热暴露对带热障涂层DD6合金组织的影响。结果表明：0.3 MPa压力水吹砂制备热障涂层并高温热暴露后没有发现再结晶组织;热暴露过程中,基体和涂层之间的元素会发生不同程度的互扩散;表面残余应力和元素互扩散导致了γ′相粗化方向的变化;性能测试后试样断口附近的涂层与基体界面下方局部区域形成了二次反应区。     

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

Failure of EB-PVD Thermal Barrier Coatings Subjected to Thermo-Mechanical Loading

Thermal barrier coatings (TBCs) were developed to protect metallic blades and vanes working in turbo-engines. The two-layered structure TBCs, consisting of NiCoCrAlY bond coat and yttria stabilized zirconia (YSZ), were deposited on a cylinder of superalloy substrate by the electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD). The failure mechanism of the TBCs was investigated with a thermo-mechanical fatigue testing system under the service condition similar to that for turbine blades. Non-destructive evaluation of the coated specimens was conducted through the impedance spectroscopy. It is found that the crack initiation mainly takes place on the top coat at the edge of the heated zones.     

[001]取向DD6单晶合金的薄壁试样持久性能与断裂行为

采用薄壁试样研究了温度为980℃、应力为250MPa条件下［001］取向DD6单晶合金的薄壁持久失效行为,结果表明:薄壁试样的持久寿命低于标准圆棒试样,表现出显著的薄壁效应。薄壁试样的厚度和持久寿命之间存在函数关系。薄壁试样持久断口边缘区域氧化严重,内部区域为微孔聚集型断裂,持久断裂模式为“表面氧化-裂纹萌生-扩展”和“内部蠕变损伤”共同作用,且试样越薄,表面氧化程度越大,持久寿命越短。      

氧化时间对7A55铝合金微弧氧化膜的影响

采用恒流微弧氧化法在碱性硅酸盐-磷酸盐体系电解液中对7A55铝合金进行了微弧氧化处理,研究了氧化时间对微弧氧化膜表面形貌、厚度和相组成的影响.研究结果表明,在恒定的电参数(电流密度为6A/dm2,占空比均为30%,频率为1000Hz)条件下,随着氧化时间的延长,阳极电压逐渐增大,氧化膜表面微孔孔径逐渐增大,微孔数量逐渐减少,膜层厚度随氧化时间近似呈线性增加;膜层主要由γ-Al2O3相组成.     

航空发动机热障涂层材料体系的研究

介绍了热障涂层的结构、陶瓷表层材料和中间粘结层的材料发展趋势。热障涂层的结构已由经典的双层结构向成分、结构连续变化的梯度结构发展,涂层的寿命有明显的提高。制备方法中电子束物理气相沉积技术具有明显优势。热障涂层表层材料的最佳成分是(质量百分数6%～8%)Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷材料。粘结层体系发展的一个重要趋势是能同时保证力学性能和抗氧化性能的低Al含量NiCoCrAlY。     

激光熔敷氧化锆热障涂层微观结构研究

采用5KW连续CO_2激光器对Ni基高温合金上二次重熔NiCoCrAlY和ZrO_2陶瓷层进行了研究。结果表明:激光快速熔化和凝固获得定向外延生长、紧密堆积的柱状晶氧化锆陶瓷层。NiCoCrAlY结合层与柱状晶之间存在氧化铝层,保证了柱状晶与NiCoCrAlY层的联结。激光重熔ZrO_2层由四方相和立方相组成,经快速冷却由高温保留至室温。     

小孔对DD6单晶热机械疲劳的影响

通过开展同相（IP）和反相（OP）循环下DD6单晶带孔试样与光滑试样的机械应变控制热机械疲劳（TMF）试验,研究孔边应力集中与温度-应变相位角对裂纹萌生寿命的影响。结果表明:带孔试样裂纹萌生于孔边最大主应力位置,其寿命比相同名义载荷的光滑试样低约一个数量级;带孔试样的OP寿命均短于IP,这与光滑试样寿命趋势一致。结合基于滑移系的黏塑性数值模拟,获取不同试验条件下的单晶应力应变分布特征及其演化规律,并构建单晶TMF损伤与宏细观参量的关联。在此基础上,建立一种能够综合考虑应力集中与相位角影响的单晶TMF寿命模型,对光滑试样与带孔试样IP、OP TMF寿命预测结果基本落在试验寿命的2倍分散带内。