脉冲电子束作用下电弧离子镀NiCoCrAlYSiHf涂层微观结构及高温氧化性能研究

发布时间：2020-04-26 02:53

【摘要】：热障涂层(TBCs)技术属于现代航空、航海、地面燃机等军民两用的高端技术,不断提高的航空发动机服役温度对高性能热障涂层的制备及性能要求日益增大。抗高温氧化性能是判断热障涂层服役寿命重要的依据之一,同时也是检验热障涂层基本性能的指标。MCrAlYX型涂层因具有良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能而常被用作热障涂层的粘结层。在高温服役环境下,MCrAlYX粘结层表面会生成一层热生长氧化物(TGO),TGO的非受控生长是整个涂层系统剥落失效的最关键因素。TGO的生长和演化行为与MCrAlYX涂层的微观形貌、相结构、晶粒大小等因素密切相关。本文通过强流脉冲电子束(HCPEB)表面改性技术对电弧离子镀(AIP)沉积的NiCoCrAlYSiHf涂层表面微观结构实施有效调控,实现对TGO生长和演化行为的干预和控制,进而改善涂层的抗高温氧化性能。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和三维激光扫描显微镜(3D-LSM)等表征手段对HCPEB改性前后以及高温氧化过程中的涂层微观组织和表面形貌的演变进行详细表征及分析。建立脉冲电子束辐照下表面微观结构-TGO受控生长-高温服役性能三者的关系,探索改性机理,进而提出一种提高NiCoCrAlYSiHf涂层高温服役寿命的改性方法,为提高MCrAlYX型涂层及热障涂层寿命稳定性和可预测性提供可靠的技术路线。微观组织分析表明,AIP沉积的NiCoCrAlYSiHf涂层由大量尺寸不等的颗粒堆积叠加而成,涂层表面粗糙不平,高低起伏程度较大,分布着大量的岛状团簇大颗粒,涂层内部由尺寸不等的等轴晶构成;该涂层相组成为γ/γ’、β-NiAl和NiCoCr相。AIP-NiCoCrAlYSiHf涂层在经过HCPEB辐照后,涂层表面发生重熔,变得十分平整、光滑且致密,涂层表面得到净化,成分均匀性得到改善;重熔层厚度随轰击次数的增加而逐渐增加,30次辐照处理后涂层内部由柱状晶组成,重熔层表层形成大量尺寸极其细小的Y_2Al纳米颗粒及高密度位错缠结结构。1050℃高温氧化实验研究结果表明:原始AIP-NiCoCrAlYSiHf涂层进行2h高温氧化后,β-NiAl相减少,形成了主要由α-Al_2O_3和少量的混合氧化物组成的薄且厚度不均匀的TGO层,大颗粒区域出现内氧化现象;高温氧化20h后,β-NiAl相消失,TGO厚度增加,TGO表面稳态α-Al_2O_3及亚稳态θ-Al_2O_3并存;高温氧化50h后,TGO疏松多孔且成分复杂,突起区域开始出现贯穿式裂纹甚至剥落;氧化100h后,TGO部分突起处出现剥落,内氧化加剧并扩展至涂层内部;高温氧化200h后,TGO表面出现大面积剥落并留下凹坑,TGO由混合氧化物构成,内部十分疏松而且出现严重内氧化的现象,涂层完全失效。涂层的高温氧化过程大致可以分为三个阶段:第一阶段:快速氧化阶段,该阶段氧化膜增厚明显,涂层的氧化增重速率较大。第二阶段:氧化减缓阶段,涂层的氧化增重速率减缓。第三阶段:复杂氧化阶段,涂层的氧化增重速率增加较快,氧化动力学曲线呈现加速上升趋势。相比之下,30次HCPEB轰击处理后,NiCoCrAlYSiHf涂层在高温氧化2h后,重熔层表面生成一层薄且主要由Al_2O_3组成的氧化膜;随着氧化时间的延长,Al_2O_3逐渐变得更加连续、致密,其厚度逐渐增加,但生长速率极其缓慢;直至高温氧化200h后,涂层表面依旧由单一的Al_2O_3所构成,此时TGO的厚度仅有3μm,且涂层内部无任何内氧化的痕迹。HCPEB处理后AIP-NiCoCrAlYSiHf涂层氧化的动力学曲线近似抛物线,HCPEB诱发产生的辐照效应有利于氧化膜快速形成,并使TGO缓慢增长,氧化增重速率减缓。处理后涂层的氧化增重和氧化膜增量远远小于原始涂层。MCrAlY涂层的抗高温氧化性能得到显著改善。
【图文】：

热障涂层

脉冲电子束作用下电弧离子镀 NiCoCrAlYSiHf 涂层微观结构及高温氧化性能研究提高发动机的寿命。在六七十年代，，出现了 Ni-Al、Pt-Al、Al-Si、Al-C化物涂层[8]。此后，由于电子束喷涂和低压等离子喷涂等技术的使用，出现了 MCrAM=Ni、Co 或 Ni+Co, X=Si、Hf 等元素) 涂层。MCrAlYX 是一种常用的耐高金材料，具有良好的抗高温氧化、热腐蚀性能、抗高温蠕变与韧性。MCrA Ni 或者γ-Co 固溶体为基体，β-NiAl 或β-CoAl 为强化相[9]。到了九十年代，陶瓷热障涂层开始发展。通常情况下，陶瓷热障涂层按结同可分为三类：双重系统、梯度系统、多层系统三种结构。双重系统由陶、粘结层组成；梯度、多层系统这两种结构的涂层工艺复杂，不易重复制有许多应用技术问题尚未得到圆满解决，限制了其实际应用[10]。考虑工艺层热障涂层系统应用最为广泛，如图 1.1 所示。

原理图,电弧离子镀,原理图

图 1.2 电弧离子镀原理图Fig.1.2 Schematic of arc ion plating涂层特点为：涂层均匀致密。层与基体材料结合良好。在进行电弧离子镀的过程中可以有效去除基体上的各种氧化物和杂质，形成洁净表结合。度快。于形状复杂的工件。靶材蒸发成为原子或分子会与腔而导致散射，使基体的背阴面也能进行沉积。围广。可根据实际的要求，灵活的选择靶材，以得到。凸不平并存在大颗粒。所谓大颗粒，是由于阴极材料
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V263

【参考文献】