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。     

航空发动机涡轮叶片用高温合金微晶涂层

本文介绍了一种适用于航空发动机涡轮叶片的新型涂层──微晶涂层。其特点是涂层成分与基体合金相同，具有比常规渗铝涂层更好的抗恒温氧化和抗循环氧化性能，其上生成的氧化膜具有良好的修复性，微晶涂层具有优良的高温组织稳定性，在涂层与基体合金间不会生成有害脆性相。     

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。     

稀土对热浸镀铝钢Al_2O_3／渗铝层界面空洞生长的影响

通过高温氧化试验以及测量空洞平均直径和形核数量随氧化时间的变化,研究稀土对Al2O3/渗铝层界面空洞生长和抗高温氧化性能的影响,并与渗纯铝试样进行比较.结果表明,渗铝稀土试样空洞平均直径的增长速率仅是渗纯铝试样的1/2,空洞平均深度随平均直径的增长速率仅是渗纯铝试样的3/5,单位面积上的空洞数量少于渗纯铝试样.稀土可抑制界面空洞的形核和生长,阻止空洞向渗铝层纵深扩展,提高渗铝钢的抗高温氧化性能.探讨了稀土抑制空洞形核和生长的机理.     

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。     

高温合金纳米晶涂层的发展

高温合金纳米晶涂层是一种新的高温合金防护涂层体系.与目前通常采用的涂层不同,其成分与基体合金基本相同,有良好的抗氧化性能,且避免了传统涂层高温使用后在涂层与基体间因互扩散形成的脆性有害相.高温合金纳米晶涂层是在研究晶粒度对合金抗氧化性能影响的基础上发展起来的.本文综述了国内外对晶粒细化影响铁基合金、金属间化合物、高温合金等氧化性能的研究概况,重点介绍了高温合金溅射纳米晶涂层的研究结果.     

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。     

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。     

镍基高温合金表面Co-Al涂层抗高温氧化性能研究

为了研究镍基高温合金表面Co-Al涂层抗高温氧化性,对该Co-Al涂层在800、900和1000 ℃下进行200 h高温氧化试 验,利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）等进行高温氧化行为分析。结果表明：合金氧化动力学曲线 均基本符合抛物线规律,氧化激活能为78185 kJ/mol,质量增大速度较缓慢,平均氧化速度也较慢;合金表面生成氧化物结构完整、 致密,主要以Al 2 O 3 为主;表面生成连续致密的Al 2 O 3 保护膜有效地阻止了Al向涂层与空气界面的外扩散和氧向涂层与基体界面的 内扩散,在3种温度下Co-Al涂层均表现出优异的抗高温氧化性能。     

溅射沉积高温合金涂层的抗高温氧化行为

本文介绍了在一种高温合金上以磁控溅射方法沉积制备与基体高温合金成分相同的涂层，并对其抗高温氧化行为进行了研究。研究结果表明，涂层的结构为微晶柱状晶，具有这种结构的高温合金涂层能大幅度提高基体合金的抗高温氧化性能，而且在涂层表面形成的氧化物防护膜具有良好的粘附性。     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

铁基MGH956高温合金抗高温氧化性能的研究

研究了MGH956高温合金1000～1300℃的氧化行为。利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射对氧化膜的形貌、组成进行了分析。结果表明:MGH956高温合金具有非常突出的抗高温氧化性能,1300℃仍能达到完全抗氧化,且没有发生内氧化。氧化膜的基体氧化物是α-Al2O3,与合金基体连接十分紧密,且连续、致密,晶粒非常细小,有一定塑性,是合金具有优异抗高温氧化能力的主要原因。     

新型高温合金K447A渗AlSi涂层抗高温氧化性能研究

为研究K447A合金渗AlSi涂层的抗高温氧化性能,采用无机盐料浆法在K447A镍基高温合金表面制备AlSi涂层,用带能谱的扫描电镜对涂层的微观组织和成分进行了分析。此外,对带AlS i涂层的K447A试样进行了1050℃抗高温氧化性能实验。     

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.     

陶瓷前驱体基高温高辐射涂层制备及表征

以陶瓷前驱体树脂为成膜物,以过渡金属氧化物和硼化物为填料,采用空气喷涂工艺在镍基高温合金和C/C基材上制备出了高温散热性能好、抗热震性好的高温高辐射涂层,并用DSC-TG、光学显微镜和风洞对涂层性能进行表征。结果表明:该涂层室温~827℃发射率达到0.85~0.92,827℃~室温抗热震循环20次后涂层不剥离、不脱落;该涂层在290 k W/m2冷壁热流、300 s时长的风洞考核条件下,可将镍基高温合金基材温度从686℃降到646℃,降温40℃。     

真空电弧离子镀CoCrAlY涂层工艺研究

采用真空电弧离子镀工艺在渗铝后的镍基铸造高温合金表面制备CoCrAlY涂层,通过SEM、光学显微镜检查了沉积工艺参数对涂层表面颗粒状态、涂层组织形貌及涂层沉积速率的影响,优化了真空电弧离子镀工艺参数。经高温退火处理后,CoCrAlY涂层与渗铝层之间有明显的扩散层,涂层与渗铝层结合良好。     

多孔NiCr在750℃ NaCl沉积盐中的热腐蚀机理研究

针对飞机发动机高压压气机NiCr系可磨耗封严涂层发生的NaCl热沉积盐高温腐蚀现象,采用粉末烧结法制备了多孔80Ni20Cr合金,研究了其在750℃空气气氛中的NaCl热腐蚀行为。采用X射线衍射和能谱分析等技术对腐蚀产物进行了分析。结果表明,NaCl固体盐通过阻碍合金表面生成连续致密的Cr_2O_3,加速多孔NiCr的腐蚀和氧化。研究发现,在样品外表面形成的Cr_2O_3、NiO、NiCr_2O_4混合氧化物膜易开裂剥落,是合金加速腐蚀的主要方式。此外,通过同步热分析并结合热力学模拟计算发现,NiCr合金的热腐蚀由氯化-氧化协同控制,初始依靠NaCl与Cr元素反应引发合金的循环腐蚀,并推动整个腐蚀过程不断进行。     

DZ40M合金Al-Si涂层高温防护性能研究

采用料浆渗技术在DZ40M钴基高温合金基材上制备了Al-Si涂层,研究了涂层在1000℃下的高温氧化行为和900℃下的燃气热腐蚀行为。结果表明,料浆渗Al-Si涂层明显改善了DZ40M合金的抗高温氧化性能,涂层主要由CoAl相组成,随着氧化时间的增加,CoAl相发生了退化,逐渐转变成α-Co相;涂层与合金都具有较好的抗热腐蚀性能。     

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。     

用于固渗法渗铝的防渗铝涂料

一、前言 随着航空事业的不断发展,对喷气发动机涡轮前温度提出了更高的要求,因而对涡轮叶片材料的高温强度性能也要求与之相适应。为了捉高合金的高温性能,一般要调整合金成分。另外,也可采用在合金表面渗铝的办法提高其抗氧化和腐蚀性能。但是,表面全部渗铝的不足之处是直接承受振动力的零件部位如叶片榫齿,若渗有铝层则容易产生渗层裂纹而带来缺口敏感,同时榫齿渗铝也影响滚棒尺寸不利装配。因此,在国外都是采用保护套(金属或陶瓷)或保护涂层法加以解决。当然采用涂层保护方法较好,然而此类涂层的配方,配制和使用方法在国外都属于专利、公开文献中未见报导。为了某发动机Ⅱ级涡轮叶片局部渗铝工艺生产定型的急需,本着自力更生原则,我们研制了适用于国内目前采用的“Al-Fe”粉固体包埋法渗铝工艺的防渗铝涂料,现已取得了实用的效果,正式投入了批生产。