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。     

两种MCrAlY涂层/DD6合金的循环氧化和互扩散行为

在DD6单晶高温合金基体上,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备Ni Co Cr Al Y涂层,采用低压等离子喷涂(LPPS)技术制备Ni Co Cr Al YHf Si涂层,通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析(EPMA)等手段研究了在1100℃下的热循环氧化和互扩散行为。结果表明,涂层显著提高了DD6基体的抗氧化能力,经100h的循环氧化后,涂层表面氧化层主要成分仍为α-Al2O3,依然发挥着较好的抗氧化保护作用。这两种涂层与基体之间形成了互扩散区(IDZ)和二次反应区(SRZ),IDZ和SRZ的厚度均随着循环氧化时间延长而增大;SRZ中析出的棒状与颗粒状的拓扑密堆相(TCP)含有W、Re、Mo等高熔点元素,其质量分数分别高达37.51%、14.22%和10.61%,TCP含量随着氧化时间而增多。活性元素Si、Hf对涂层中富Cr相和TGO的增长速率均有一定的抑制作用。     

高温防护金属涂层的发展及活性元素效应

高温防护涂层(一般为金属基)被广泛用于航空发动机和大型地面燃气轮机关键热端部件(例如涡轮叶片)的防护。通过生成一层致密且生长缓慢的氧化膜(Al_2O_3,Cr_2O_3或SiO_2等),这类涂层可以在高温下为基体合金提供可靠防护,以防止基体合金被快速氧化腐蚀侵害。本文回顾了高温防护金属黏结层的发展历程(以铝化物涂层和MCrAlY包覆涂层为例),其改进总是围绕着提高涂层中Al的浓度及合理分布,以及缓和涂层与基体合金的互扩散为目标;重点关注高温防护涂层中添加活性元素(RE)后引入的活性元素效应,包括活性元素被发现的历程、活性元素改性作用机制以及近期研究者在活性元素掺杂方面的工作进展。     

阴极微弧放电制备TiAl合金表面Al_2O_3膜的高温氧化性能

在Al(NO3)3溶液中利用阴极微弧放电沉积方法,制备了TiAl合金表面的Al2O3膜,膜的厚度为80μm。空气环境下,在900℃下进行高温氧化实验。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析了样品在高温氧化前后的形貌和物相变化。100h高温氧化后,Al2O3膜保持完整,与基体有较好的结合。高温氧化前后物相均为γ-Al2O3和少量的α-Al2O3,但是氧化后的膜层中出现了少量的Rutile-TiO2。阴极微弧沉积方法在TiAl合金表面制备的Al2O3膜能够有效地提高基体在900℃时的抗氧化性能。     

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。     

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。     

热障涂层的制备及热震性能

采用电火花沉积+微弧氧化的方法在GH4169合金表面制备ZrO_2/NiCrAlY涂层,制备过程为:采用电火花沉积技术在GH4169基体表面先沉积厚度为250μm的NiCrAlY涂层,再沉积厚度为150μm的Zr涂层,最后通过微弧氧化的方法将Zr涂层氧化成ZrO_2涂层,从而得到ZrO_2/NiCrAlY涂层。采用Qauta 200F型场发射扫描电镜观察涂层的显微组织和形貌,研究ZrO_2/NiCrAlY涂层在不同温度下的热震性能,结果表明:当热震温度分别为750℃,850℃,950℃时,热震失效次数分别为51次、32次和19次,涂层的热震性能良好。     

送粉方式对等离子喷涂NiCrAlY/ Al2 O3涂层介电性能的影响

以内送粉和外送粉两种方式微弧等离子喷涂工艺制备了NiCrAlY/Al_2O_3复合涂层,分析了送粉方式对涂层相组成、微观结构和介电性能的影响。结果表明:与外送粉相比,内送粉方式沉积的涂层具有较高的沉积效率和较低的孔隙率。由于喷涂过程中α-Al_2O_3颗粒完全熔融,内送粉喷涂所得到涂层主要为γ/γ′和γ-Al_2O_3相,并且涂层结构致密,NiCrAlY颗粒分布均匀。介电性能测试表明,以外送粉方式制备的涂层复介电常数实部和虚部几乎不随频率发生变化。而以内送粉方式喷涂的涂层复介电常数实部和虚部随频率的增加而降低,呈现明显的频散现象。     

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.     

NiCrAlY涂层抗氧化性及氧化过程中的微观结构演变

采用低压等离子喷涂技术在镍基铸造高温合金K438基体上制备NiCrAlY涂层,研究涂层和基体在950℃下恒温氧化100h的氧化动力学规律。采用SEM、EDS和XRD等检测涂层和基体经不同时间氧化后的微观结构演变和元素分布。结果显示:涂层氧化增重缓慢,氧化动力学曲线符合抛物线规律,100h后表面形成一层厚度1.5μm左右致密Al2O3保护膜;基体开始时氧化增重迅速,60h之后发生破坏性氧化,基体开始迅速失重。EDS分析显示:元素在涂层氧化过程中发生缓慢扩散,扩散距离达到90μm,涂层的结构更加致密。     

钛表面阴极微弧沉积氧化铝涂层的组织结构及其性能研究

以Al(NO3)3乙醇溶液为电解液,利用阴极微弧电沉积技术在纯钛表面制备了较厚的氧化铝涂层.分析了涂层的形貌、成分和相组成,测试了涂层的抗高温氧化、电化学腐蚀及抗热震性能,并探讨了阴极微弧沉积氧化铝涂层的机理.涂层由γ-Al2O3和少量的α-Al2O3组成.涂层中含有少量的钛元素,表明涂层/钛界面附近的钛基体在微弧放电作用下也参与氧化铝涂层的沉积和烧结过程.涂层经过100次(700 ℃水淬)热循环后仍与钛基体结合良好.700 ℃恒温氧化结果表明,具有氧化铝涂层的钛氧化速率降低了4倍.     

单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温氧化行为

采用化学气相沉积(CVD)方法在单晶高温合金基体上分别制备了单一铝化物和铂改性铝化物涂层,研究了1050℃下两种涂层在空气中的高温氧化行为。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法分析了铝化物涂层在氧化过程中相成分和显微组织的演变规律,结果表明:经1050℃氧化250h后,两种涂层的氧化动力学曲线均符合抛物线演变规律,Pt-Al涂层的抗氧化性能相对于单一Al涂层提高了2倍以上;涂层主要由β、γ'和α-Al2O3三种物相组成;随着氧化时间的延长,两种涂层表面均出现了氧化膜的脱落现象,但Pt-Al涂层表面氧化膜的脱落面积较小;涂层中相变过程的产生、γ'相贯穿整个涂层和混合氧化物层过早形成是导致铝化物涂层氧化剥落失效的主要原因。Pt元素的加入既可减缓β→γ'的相变速率,又可有效阻挡基体中难熔金属元素的外扩散行为,保证了高质量α-Al2O3保护膜的生成。     

TA2钛表面激光合金化制备耐1000℃高温氧化Ti_5Si_3/Ti_3Al复合涂层

为了提高钛和钛合金表面的抗高温氧化能力,使用先预置一层硅粉后预置一层铝粉方式,采用激光合金化技术在TA2钛表面制备出耐1000℃高温的Ti_5Si_3/Ti_3Al复合涂层,并采用XRD、SEM和等温氧化技术对激光合金化后涂层的组织特征和1000℃、50h空气等温氧化性能进行了系统研究。研究结果表明:涂层主要由初生的Ti_5Si_3相和Ti_5Si_3/Ti_3Al共晶组织组成;复合涂层经过1000℃、50h空气等温氧化后的氧化增重速率约为基体的1/12;复合涂层的氧化产物主要是Ti O_2、Al_2O_3和SiO_2;复合涂层中Ti_5Si_3和Ti_3Al两相的存在是其抗高温氧化性能提高的主要原因。     

真空预氧化处理对热障涂层静态氧化行为的影响

利用超音速火焰喷涂技术在DZ40M合金表面制备了Ni Co Cr Al Y粘结层,采用等离子喷涂技术在粘结层表面制备了陶瓷面层,并对整体热障涂层进行了真空预氧化处理。通过高温静态氧化实验研究了真空预氧化对热障涂层的氧化行为的影响。结果表明:真空预处理可在MCr Al Y粘结层和陶瓷面层的界面处形成连续、致密的α-Al2O3层;在1050℃下氧化800h后,喷涂态涂层TGO中除α-Al2O3外,还生成了大量尖晶石氧化物,而预氧化涂层TGO则以α-Al2O3为主;预氧化处理有效抑制了涂层在高温氧化过程中尖晶石氧化物的形成,从而降低了整体氧化膜的生长速率。     

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.     

大气等离子喷涂热障涂层高温氧化行为研究

采用等离子喷涂工艺在GH4099合金基体上制备了热障涂层,并进行了1050℃恒温氧化试验,综合利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪等检测手段,分析了涂层的显微结构及高温氧化行为。结果表明：等离子喷涂（APS）热障涂层在高温氧化过程中,黏结层被氧化生成热生长氧化物（TGO）。但长时间氧化后,在与TGO毗邻的金属黏结层中产生了范围较窄但浓度变化较大的贫Al带,TGO层出现保护性Al2O3向非保护性混合氧化物转变的现象,导致致密Al2O3层的连续性被破坏,TGO厚度快速增加。     

TiAl合金高温循环氧化行为及其表面改性研究

研究了TiAl金属间化合物及表面涂层在空气中的高温循环氧化行为。结果表明:在800℃时TiAl合金具有较好的抗高温氧化行为,但当温度高于800℃时,TiAl合金表面未能形成单一的Al2O3保护层,而是形成外3层为疏松的TiO2层,内层为TiO2+Al2O3的混合氧化物层,因而使得TiAl合金的抗高温循环氧化性能严重蜕化。TiAl合金经过Cr改性铝化处理后,表面形成了具有立方Ll2结构的Al67Ti26Cr7层,立方Ll2结构的Al67Ti26Cr7不仅具有较高的铝含量,而且具有优良的韧性,因而使得处理后的TiAl合金具有良好的抗高温循环氧化性能。铝化物涂层尽管有很高的铝含量,但由于铝化得到的TiAl3相具有四方形结构,涂层非常脆,故该涂层抗高温循环氧化性能有待进一步提高。     

Ti3Al基合金微弧氧化膜的制备和性质

利用微弧氧化方法在Ti3Al基合金上制备了厚度达120 μm的陶瓷膜.研究了陶瓷膜的生长曲线,发现膜层厚度随着氧化时间的增加而增加,在不同氧化阶段生长速度不同,膜层以向外生长为主;显微结构和硬度分析都发现,陶瓷膜分为两层结构,即内层和外层,陶瓷膜内外层的主要物相是(Ti0.6Al0.2Nb0.2)O2相,外层中还有一定数量的无定形SiO2相;陶瓷膜的最大显微硬度可以达到基体硬度的3倍左右.显微划痕实验表明:膜与基体间结合力大于40N,膜与基体结合良好.电化学极化曲线测试显示陶瓷膜在3.5%盐水溶液中的耐蚀性与Ti3Al基体相比有较大的提高.     

高速电弧喷涂FeCAl涂层组织结构及抗高温氧化性能研究

用高速电弧喷涂技术(HVAS)制备FeCrAl涂层,测试涂层在800℃的氧化性能,研究涂层在喷涂态和氧化后的组织结构.结果表明,由于冷却速率极快,FeCrAl涂层中形成比较多的Fe-Cr非晶态相,还有少量的Cr1.3Fe0.7O3和体心立方晶格的Fe-Cr固溶体,喷涂过程中Al的氧化比较严重.FeCrAl涂层的抗高温氧化性明显高于12Cr1MoV钢,接近于T91钢,涂层具有优异的抗氧化性一方面是由于层片间形成保护性的Cr氧化膜,阻止进一步氧化,也与含有较多抗氧化性好的非晶态相有关.高温氧化后,涂层中部分非晶态相晶化,转变为Fe-Cr晶体相.     

粘结层表面预处理对EB-PVD热障涂层循环氧化的影响

研究了在Ni3Al基高温合金基底上采用阴极电弧镀方法制备NiCoCrAlYHf粘结层、电子束物理气相沉积(EB PVD)方法制备Y2O3 ZrO2陶瓷层的热障涂层(TBCs)在1150～30℃之间的热循环氧化行为。通过对热循环过程中热障涂层界面韧性的测试和氧化行为的研究,分析了粘结层表面预处理工艺(喷丸和吹砂)对热障涂层使用寿命的影响。由于喷丸和吹砂会降低热障涂层的界面韧性,同时又促进了热生长氧化物(TGO)的生长,这些预处理工艺不利于提高热障涂层的寿命。