Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

Nb-Si金属间化合物基超高温合金(Nb-Si基合金)具有高熔点、低密度和良好的加工性能,目标使用温度达到1 200~1 400℃,成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料。主要介绍了北京航空航天大学在Nb-Si金属间化合物基超高温合金领域的研究成果,包括合金化、加工制备技术(电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固和粉末冶金)、组织控制与性能表征和热防护涂层材料体系设计与制备技术等。发展了Y2O3坩埚真空感应熔炼和Y2O3模壳精密成型顺序凝固技术,成功制备了涡轮叶片模拟件;发展了Al2O3/Y2O3、Y2O3/Y2O3陶瓷坩埚/模壳液态金属冷却定向凝固技术,实现了Nb-Si基合金的定向凝固组织控制和强韧化匹配;发展了热防护涂层材料体系和制备技术,在合金基体和涂层的高温抗氧化方面均取得了较大的进展。     

基片偏压对磁控溅射制备TiB_2涂层结构及性能的影响

为了提高TiB2涂层的致密性,采用磁控溅射技术,通过改变基片偏压,获得了floating,-30V,-90V三种偏压状态的涂层。利用XRD,SEM、纳米压痕仪、Vickers显微硬度仪和摩擦磨损试验机对涂层的结构和性能进行了分析。结果表明:所有制备涂层只存在六方结构TiB2相,偏压为floating状态时制备的涂层表现出疏松的柱状生长结构,硬度为15GPa。随偏压增大,涂层柱状结构变致密甚至消失,硬度和耐磨损性能都得到提高。偏压-30V提高到-90V,相对于floating状态制备的涂层,晶粒尺寸增加了一倍,达到21nm;柱状结构变致密最终消除;硬度从35.5GPa提高到61.9GPa,实现了超硬;同时耐磨损性能提高,使用摩擦副为直径6mm的Al2O3球进行干摩擦实验时,-90V制备的涂层磨损率为5.6×10-16m3/Nm,相对于-30V涂层降低了一个数量级。     

等离子喷涂Al_2O_3涂层的电击穿机理

采用大气等离子喷涂技术在铜基体上沉积了Al2O3涂层。采用XRD和SEM对涂层微观结构进行了表征。通过探讨孔隙率和吸潮行为对绝缘性能的影响,分析了等离子喷涂Al2O3涂层结构与电绝缘失效机理的关系。结果表明:等离子喷涂Al2O3涂层较致密,界面结合较好。随涂层厚度不同其孔隙率在5%~7%范围变化。等离子喷涂Al2O3涂层结构中的孔洞是电绝缘失效的主要部位且呈典型电晕击穿形貌。电晕击穿诱发的裂纹沿击穿方向扩展形成击穿隧道。击穿方向与电极极性无关而由击穿孔洞位置决定。涂层厚度与涂层击穿强度呈现倒数关系。吸潮会诱发导电通路形成降低Al2O3涂层抗击穿能力。     

TiN涂层硬质合金刀具切削奥氏体高锰钢的磨损破损研究

利用TiN涂层硬质合金刀具对奥氏体高锰钢进行了切削加工试验,分析了切削过程中的磨损、破损机理。     

飞机结构防腐剂涂层耐水防腐性研究

本文通过对飞机结构防腐剂涂层浸水试验和涂层驱水试验等试验结果的分析，考察了飞机结构防腐剂涂层的耐浸水性、驱水性及其协同作用等对2024-T3铝合金结构材料防腐性的影响，并对这些相关性的影响进行了一些探讨。     

490N远地点发动机抗氧化涂层厚度对性能的影响

针对用于二代490 N远地点发动机推力室的改性硅化物高温抗氧化涂层,重点研究涂层厚度对性能的影响,对不同厚度涂层进行了1700℃静态氧化试验.结果表明:涂层厚度在100 ～200μm内,涂层寿命随厚度变化呈现抛物线规律,低于150 μm时,厚度较高的涂层能够生产更多的SiO2有利于性能提高;高于150μm后,涂层缺陷过多,导致涂层性能下降.综合考虑,涂层最优厚度为140～160 μm.     

热障涂层残余应力的拉曼光谱测量及数值分析

 为了研究航空发动机热障涂层(TBCs)制备过程中残余应力的分布问题,采用大气等离子喷涂技术(APS)在镍基高温合金GH99上制备了热障涂层(CoCrAlY粘结层和ZrO₂陶瓷面层),对热障涂层进行了100~3 500 cm^-1激光拉曼光谱扫描,并采用有限元方法计算了与之对应的热障涂层有限元模型应力分布.分析了涂层系统内部轴向残余应力的分布情况并对比分析了激光拉曼光谱频移及有限元计算结果.激光拉曼分析结果表明:轴向陶瓷层内部呈现压应力,在陶瓷层/粘结层界面处应力达到最大值14.8 MPa,粘结层内呈现拉应力;数值分析应力变化趋势与激光拉曼测试分析结果相吻合.     

基于甲基三甲氧基硅烷/正硅酸乙酯的聚碳酸酯耐磨涂层

以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)水解聚合产物作为主要成膜物质,引入正硅酸乙酯(TEOS)水解产物硅溶胶作为无机增强物,采用溶胶凝胶法在聚碳酸酯(PC)表面形成耐磨涂层。结果表明:PC表面形成了Si—O—Si的交联网络结构。通过测试耐磨实验前后光学性能的变化研究表面涂覆涂层的聚碳酸酯的耐磨性能与涂层组分之间的关系。当涂层原料MTMS和TEOS的摩尔比为2∶1时,聚碳酸酯的耐磨性能达到最优,500次摩擦后雾度为13.22%,为纯PC的56.21%。     

飞机透明件用光固化有机-无机杂化耐磨涂层的研究

采用溶胶-凝胶法通过控制催化剂添加量制备了不同纳米粒径的纳米二氧化硅粒子,用偶联剂MEMO对其表面进行改性处理后制备了有机玻璃用光固化有机-无机杂化涂层。结果表明,经过MEMO处理的纳米二氧化硅粒子与光固化聚氨酯丙烯酸酯树脂有很好的相容性,PMMA涂覆光固化PUA/SiO2涂层后,其硬度由原来的HB提高到3H,体积收缩率降低52%,耐磨性能比未添加的纳米SiO2涂层提高了70%以上。     

低发射率涂层材料研究

测试了多种黏合剂和粉体及以聚氨酯树脂为黏合剂制成的涂膜在8～14 μm波段的发射率.结果表明,Karton树脂红外透明性好,具有较低的红外发射率;铝粉制成涂膜后发射率较低,且涂膜的发射率与铝粉的加入量、粒径等有关;掺锡氧化铟(ITO)薄膜具有很低的发射率,其发射率与ITO膜的厚度、含氧量等有关.