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。     

镍铝涂层晶粒细化与金属氧化物掺杂改性研究

包埋渗铝获得的镍铝涂层是一种最早使用的Al_2O_3膜热生长型高温涂层。自20世纪50年代应用于航空发动机热端部构件的高温防护以来,进一步提高其抗高温氧化性能的机理和技术研究延续至今。基于对合金氧化及Al_2O_3膜热生长机制的理解,提出了晶粒细化与特定金属氧化物掺杂可提升镍铝涂层抗氧化性能的观点,介绍了涂层晶粒细化与金属氧化物弥撒掺杂方法,讨论了这些结构和成分改性影响涂层抗高温氧化性能的关键因素:包括Al_2O_3膜生长速度、亚稳态相向稳态相转变、涂层的黏附性以及涂层与合金基体的互扩散。这些新的研究结果有望为进一步挖掘渗铝涂层的应用潜力、延长其服役寿命提供理论和试验基础。     

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。     

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。     

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。     

涂层—合金体系的高温过程

本文论述了高温下涂层材料的氧化防护机理。其界面的高温过程是氧化气氛通过熔融涂层向基体扩散,导致基体合金氧化。另一过程是合金元素和涂层某些组分如硅,在界面处向内扩散。研究结果揭示了涂层一合金体系的氧化作用。涂层的作用在于阻滞氧化气氛的扩散,从而减缓铬的贫化,但不减缓钛、铝的贫化。此外,涂层中的硅,在高温过程中也有少量渗入,其深度在1100℃1000小时后为0.2mm。界面处除生成氧化物外,未发现其它反应生成物。     

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。     

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。     

表面涂层-高温合金之间的高温过程研究

采用刷涂和烧结的方法制备了高温合金表面的无机涂层，并对基体进行了预氧化处理。应用俄歇能谱仪（AES）、扫描电镜（SEM）研究了预氧化处理和高温长时间退火条件下，涂层和高温合金之间元素的相互作用。结果表明：氧在合金中的分布曲线服从抛物线法则，高温下基体中铬优先氧化，对高温合金基体进行预氧化处理能有效地阻滞高温条件下基体元素铬的贫化。     

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Al₂O₃为主;表面生成连续致密的Al₂O₃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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。      

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。     

热障涂层氧化行为研究进展

综述了国内外粘接层氧化行为的研究进展,介绍了粘接层氧化动力学,热生长氧化物( TGO) 组

成、结构和形成规律,以及亚稳态Al2O3 向稳态Al2O3 的转变规律,分析了MCrAlY 粘接层及基体合金中的各种

元素对TGO 形貌和成分的影响,指出了深入研究粘接层氧化行为的方法以及热障涂层性能的改善措施。

     

复合包渗法制备铌合金表面硅化物涂层

采用复合包渗法在C103铌合金基体上制备硅化物涂层,进行1500℃静态氧化实验,室温～1500℃热震实验,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等检测手段对涂层氧化前后的组织结构进行观察,分析涂层形成机理、硅化时间对涂层组织结构的影响以及涂层氧化前后组织形貌的变化.研究表明,复合包渗法制备硅化物涂层主要是通过扩散反应形成的;涂层是以MoSi2相为主体层的多相复合结构;在高温氧化环境下,涂层表面生成熔融态非晶玻璃膜,有效阻止了氧向内进一步扩散,涂层抗静态氧化及抗热震性能良好.     

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.     

CeO_2含量对Nd_2Ce_xO_(3+2x)热障涂层性能的影响

采用高温固相法合成了Nd2CexO3+2x(x=2.0,2.25,2.5,2.75,3.0)复合氧化物,在高温合金基体上采用等离子喷涂制备了该材料热障涂层.XRD分析结果表明Nd2CexO3+2x粉末和涂层均为立方萤石晶体结构.考察了CeO2含量对Nd2CexO3+2x的力学性能(弹性模量、维氏硬度和断裂韧性)和等离子喷涂涂层在1250℃抗热震性能的影响.随着CeO2含量增加,材料的弹性模量降低,维氏硬度和断裂韧性提高.通过提高初始粉末中CeO2的含量,获得了组成接近化学计量比Nd2Ce2O7的涂层,涂层的抗热震性能增强,热循环次数达到1000次以上.Nd2CexO3+2x涂层的失效原因主要是:与金属基体之间热膨胀系数不匹配、粘结层氧化和涂层烧结.