CVD法制备钯改性铝化物涂层工艺及性能研究
发布时间：2021-04-10 03:00
随着人们对航空发动机更高性能的不断追求,使得涡轮叶片面对的温度越来越高,这对制备叶片的材料性能提出新的挑战。使用化学气相沉积法可以在空心叶片表面和内腔制备一层铝化物涂层,用于抵抗高温氧化和热腐蚀,目前单一铝化物涂层难以满足相关行业的需要,通过改性可以提高铝化物涂层的性能。本文在Inconel 718镍基高温合金表面制备了化学镀Pd层、电镀Pd层及电镀Pd+Ni双层镀层,并对镀Pd后的退火处理工艺进行研究,最后选定了 850℃×1h退火扩散工艺。本文使用的化学镀钯工艺会在钯层中夹杂少量磷元素,但在退火过程中大部分会气化消失,退火后镀层含磷极低,小于EDS所能检测范围。本文对退火扩散后的镀钯试样使用CVD法渗铝,成功在Inconel 718镍基高温合金表面制备钯改性铝化物涂层,钯改性铝化物涂层的双层结构与单一铝化物涂层非常相似,元素（如Ni、Al）分布规律也十分相近,这些迹象表明,钯并没有从根本上改变铝化物涂层的形成机制。通过研究不同镀钯工艺对钯改性铝化物涂层的组织、结构的影响,结果表明钯元素的加入可以有效提高铝化物涂层的厚度,在相同渗铝条件下,钯改性铝化物涂层厚度显著大于单一铝化物涂层。...
【文章来源】：机械科学研究总院北京市
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１航空发动机空心叶片结构示意图??
?机械科学研究总院硕士学位论文???可以消除涂层中脆性相，改善涂层力学性能［３４，３５］。??■■■■■■■■■■??—…一??ＮＮｉ，?Ｐ，）Ａ．?＿，準????，’?，广、、??????—??????＼二，??ＩＤＺ??ＩＤＺ??Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?—?－?－?－?—?????＞?—、？＿??Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??ｇｊ?＾?ｉ．?ｉｔ＊??图１－２铀改性铝化物涂层横截面微观结构??１．?３．?２．?１钯改性铝化物涂层的结构??钯改性铝化物涂层结构与单一铝化物涂层相似，研究人员对比了不同的合金和??不同的渗铝条件下得到的钯改性铝化物涂层，得到的结果非常相似，对于不同沉积??钯的方法（如电镀或化学镀），不同的渗铝工艺（如包埋法或气相法），涂层的结构都??几乎相同，在所有情况下都观察到与经典渗铝处理中非常相似的两层结构。这些观??察表明，钯并没有从根本上改变镀层的形成机制［３９，４３，４４］。??图１－３为Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１３?ＬＣ镍基高温合金钯改性渗铝层横截面上的１观结构［４５】，??为明显的双层结构，即外层（Ｏｕｔｅｒ?Ｚｏｎｅ，ＯＺ）和互扩散层（Ｉｎｔｅｒ－Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?Ｚｏｎｅ，??ＩＤＺ），外层为较纯净的均质相，互扩散区则出现小的块状或条状析出物。外层主要??为Ａｌ、Ｎｉ和Ｐｄ元素，为（Ｎｉ，Ｐｄ）Ａｌ相，是固溶了?Ｐｄ元素的ｐ－ＮｉＡｌ相，一些基体中??的元素（如Ｃｒ、Ｔｉ等）也会扩散到其中，靠近表面的一侧Ｐｄ元素较高，靠近扩散??层的一侧Ｎｉ元素含量较高，因此一些学者又将外层细分为两层：外层为富Ｐｄ的??（Ｐｄ，Ｎｉ）Ａｌ相，内层为富Ｎｉ的（Ｎｉ，Ｐ
?机械科学研究总院硕士学位论文???图１－３?Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１３?ＬＣ镍基高温合金钯改性渗铝层横截面上的微观结构［？］??与单一铝化物涂层相似，根据渗铝温度的不同，可将渗铝分为高温低活性渗铝??及低温高活性渗铝。在不同的渗铝方式下，铝化物涂层的生长方式有所不同［３６，４６，４７］，??以粉末包埋法为例，在低温高活性渗铝过程中，Ａ１元素的活性相对于Ｎｉ元素较高，??渗铝过程中Ｎｉ原子向外扩散速度小于Ａ１原子向内扩散速度，Ａ１原子向内扩散在涂??层的形成起主导作用，最终形成内扩散型涂层。在生长过程中，外层会先形成??（Ｎｉ，Ｐｄ）２Ａｌ３＋（Ｎｉ，Ｐｄ）Ａｌ相，随着由于后续Ａ１的扩散，（Ｎｉ，Ｐｄ）２Ａｌ３相会转变为更加稳??定的（Ｎｉ，Ｐｄ）Ａｌ。在高温低活性渗铝过程中，Ｎｉ原子扩散较快，Ｎｉ原子向外扩散，与??吸附在基体表面的Ａ１原子反应而形成铝化物涂层，因此涂层主要以向外生长方式??为主。同时，Ａ１和Ｎｉ的相对扩散速度还会对Ｐｄ的分布有较大影响。图１－４为Ｒｅｎｅ８０??镍基高温合金上钯改性铝化物涂层横截面上的化学组分［３５］，在低温高活度渗铝涂层??中，涂层中的钯分布相当规则，浓度分布单调下降，钯浓度在表面最大，一般不会??扩散到基体；在高温低活度渗铝涂层中，钯的最大浓度也出现在表面，其值与在高??活性涂层中观察到的相似，但下降幅度较缓，并会出现一定起伏，如先下降后上升??再下降，并非单调下降，同时，钯还常常扩散到基体合金中。??７０?了???７０ｊ????Ｄ°°ｔ３ｏ〇〇〇〇?＇￣?＾?６０－?？?？／ｙｉ＞〇〇〇〇〇〇〇〇ｔＶ〇０?—＊＊—￣?ｗ??Ｐ?厂?二：二：??：?二：?
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔不锈钢基体上钯膜沉积的制备研究[J]. 宋雅琪,陈长安,杨飞龙,高洋. 热加工工艺. 2019(12)
[2]硅改性铝化物涂层的CVD制备工艺[J]. 刘磊,杨甫,吴勇. 金属热处理. 2016(07)
[3]单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温氧化行为[J]. 戴建伟,易军,王占考,王凯,许振华,何利民. 航空材料学报. 2015(05)
[4]PtAl2单相涂层的高温抗氧化性能及失效机制研究[J]. 柳泉,阳颖飞,鲍泽斌,朱圣龙,王福会. 金属学报. 2014(09)
[5]高温防护涂层研究进展[J]. 王心悦,辛丽,韦华,朱圣龙,王福会. 腐蚀科学与防护技术. 2013(03)
[6]航空发动机用高温防护涂层研究进展[J]. 李民,程玉贤. 中国表面工程. 2012(01)
[7]航空发动机涡轮叶片材料的应用与发展[J]. 董志国,王鸣,李晓欣,滕佰秋. 钢铁研究学报. 2011(S2)
[8]Aluminizing Low Carbon Steel at Lower Temperatures[J]. Xiao Si1),Bining Lu2) and Zhenbo Wang1) 1) Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China 2) The High School Affiliated to Renmin University of China,Beijing 100080,China. Journal of Materials Science & Technology. 2009(04)
[9]微量元素磷在铁镍基变形高温合金中的作用[J]. 胡壮麒,孙文儒,郭守仁,卢德忠. 中国有色金属学报. 2001(06)
博士论文
[1]Pt改性铝化物涂层的制备科学及性能研究[D]. 阳颖飞.中国科学技术大学 2017
[2]不锈钢表面高耐蚀性钯系膜层的制备与应用研究[D]. 唐鋆磊.北京化工大学 2010
[3]喷丸加速制备纳米结构铝化物涂层的研究[D]. 詹肇麟.北京科技大学 2005
硕士论文
[1]CVD法制备Pt改性铝化物涂层工艺及性能研究[D]. 张磊.机械科学研究总院 2019
[2]CVD法硅改性铝化物复合涂层工艺及性能研究[D]. 杨甫.机械科学研究总院 2015
[3]原位化学气相沉积制备铝化物涂层及其性能研究[D]. 路通.北京航空航天大学 2010
[4]304不锈钢化学镀Pd、Ag、Pd-Ag工艺及性能研究[D]. 范崇智.北京化工大学 2006
本文编号：3128825
【文章来源】：机械科学研究总院北京市
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１航空发动机空心叶片结构示意图??
?机械科学研究总院硕士学位论文???可以消除涂层中脆性相，改善涂层力学性能［３４，３５］。??■■■■■■■■■■??—…一??ＮＮｉ，?Ｐ，）Ａ．?＿，準????，’?，广、、??????—??????＼二，??ＩＤＺ??ＩＤＺ??Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?—?－?－?－?—?????＞?—、？＿??Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??ｇｊ?＾?ｉ．?ｉｔ＊??图１－２铀改性铝化物涂层横截面微观结构??１．?３．?２．?１钯改性铝化物涂层的结构??钯改性铝化物涂层结构与单一铝化物涂层相似，研究人员对比了不同的合金和??不同的渗铝条件下得到的钯改性铝化物涂层，得到的结果非常相似，对于不同沉积??钯的方法（如电镀或化学镀），不同的渗铝工艺（如包埋法或气相法），涂层的结构都??几乎相同，在所有情况下都观察到与经典渗铝处理中非常相似的两层结构。这些观??察表明，钯并没有从根本上改变镀层的形成机制［３９，４３，４４］。??图１－３为Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１３?ＬＣ镍基高温合金钯改性渗铝层横截面上的１观结构［４５】，??为明显的双层结构，即外层（Ｏｕｔｅｒ?Ｚｏｎｅ，ＯＺ）和互扩散层（Ｉｎｔｅｒ－Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?Ｚｏｎｅ，??ＩＤＺ），外层为较纯净的均质相，互扩散区则出现小的块状或条状析出物。外层主要??为Ａｌ、Ｎｉ和Ｐｄ元素，为（Ｎｉ，Ｐｄ）Ａｌ相，是固溶了?Ｐｄ元素的ｐ－ＮｉＡｌ相，一些基体中??的元素（如Ｃｒ、Ｔｉ等）也会扩散到其中，靠近表面的一侧Ｐｄ元素较高，靠近扩散??层的一侧Ｎｉ元素含量较高，因此一些学者又将外层细分为两层：外层为富Ｐｄ的??（Ｐｄ，Ｎｉ）Ａｌ相，内层为富Ｎｉ的（Ｎｉ，Ｐ
?机械科学研究总院硕士学位论文???图１－３?Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１３?ＬＣ镍基高温合金钯改性渗铝层横截面上的微观结构［？］??与单一铝化物涂层相似，根据渗铝温度的不同，可将渗铝分为高温低活性渗铝??及低温高活性渗铝。在不同的渗铝方式下，铝化物涂层的生长方式有所不同［３６，４６，４７］，??以粉末包埋法为例，在低温高活性渗铝过程中，Ａ１元素的活性相对于Ｎｉ元素较高，??渗铝过程中Ｎｉ原子向外扩散速度小于Ａ１原子向内扩散速度，Ａ１原子向内扩散在涂??层的形成起主导作用，最终形成内扩散型涂层。在生长过程中，外层会先形成??（Ｎｉ，Ｐｄ）２Ａｌ３＋（Ｎｉ，Ｐｄ）Ａｌ相，随着由于后续Ａ１的扩散，（Ｎｉ，Ｐｄ）２Ａｌ３相会转变为更加稳??定的（Ｎｉ，Ｐｄ）Ａｌ。在高温低活性渗铝过程中，Ｎｉ原子扩散较快，Ｎｉ原子向外扩散，与??吸附在基体表面的Ａ１原子反应而形成铝化物涂层，因此涂层主要以向外生长方式??为主。同时，Ａ１和Ｎｉ的相对扩散速度还会对Ｐｄ的分布有较大影响。图１－４为Ｒｅｎｅ８０??镍基高温合金上钯改性铝化物涂层横截面上的化学组分［３５］，在低温高活度渗铝涂层??中，涂层中的钯分布相当规则，浓度分布单调下降，钯浓度在表面最大，一般不会??扩散到基体；在高温低活度渗铝涂层中，钯的最大浓度也出现在表面，其值与在高??活性涂层中观察到的相似，但下降幅度较缓，并会出现一定起伏，如先下降后上升??再下降，并非单调下降，同时，钯还常常扩散到基体合金中。??７０?了???７０ｊ????Ｄ°°ｔ３ｏ〇〇〇〇?＇￣?＾?６０－?？?？／ｙｉ＞〇〇〇〇〇〇〇〇ｔＶ〇０?—＊＊—￣?ｗ??Ｐ?厂?二：二：??：?二：?
【参考文献】：
期刊论文
[1]多孔不锈钢基体上钯膜沉积的制备研究[J]. 宋雅琪,陈长安,杨飞龙,高洋. 热加工工艺. 2019(12)
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[3]单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温氧化行为[J]. 戴建伟,易军,王占考,王凯,许振华,何利民. 航空材料学报. 2015(05)
[4]PtAl2单相涂层的高温抗氧化性能及失效机制研究[J]. 柳泉,阳颖飞,鲍泽斌,朱圣龙,王福会. 金属学报. 2014(09)
[5]高温防护涂层研究进展[J]. 王心悦,辛丽,韦华,朱圣龙,王福会. 腐蚀科学与防护技术. 2013(03)
[6]航空发动机用高温防护涂层研究进展[J]. 李民,程玉贤. 中国表面工程. 2012(01)
[7]航空发动机涡轮叶片材料的应用与发展[J]. 董志国,王鸣,李晓欣,滕佰秋. 钢铁研究学报. 2011(S2)
[8]Aluminizing Low Carbon Steel at Lower Temperatures[J]. Xiao Si1),Bining Lu2) and Zhenbo Wang1) 1) Shenyang National Laboratory for Materials Science,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China 2) The High School Affiliated to Renmin University of China,Beijing 100080,China. Journal of Materials Science & Technology. 2009(04)
[9]微量元素磷在铁镍基变形高温合金中的作用[J]. 胡壮麒,孙文儒,郭守仁,卢德忠. 中国有色金属学报. 2001(06)
博士论文
[1]Pt改性铝化物涂层的制备科学及性能研究[D]. 阳颖飞.中国科学技术大学 2017
[2]不锈钢表面高耐蚀性钯系膜层的制备与应用研究[D]. 唐鋆磊.北京化工大学 2010
[3]喷丸加速制备纳米结构铝化物涂层的研究[D]. 詹肇麟.北京科技大学 2005
硕士论文
[1]CVD法制备Pt改性铝化物涂层工艺及性能研究[D]. 张磊.机械科学研究总院 2019
[2]CVD法硅改性铝化物复合涂层工艺及性能研究[D]. 杨甫.机械科学研究总院 2015
[3]原位化学气相沉积制备铝化物涂层及其性能研究[D]. 路通.北京航空航天大学 2010
[4]304不锈钢化学镀Pd、Ag、Pd-Ag工艺及性能研究[D]. 范崇智.北京化工大学 2006
本文编号：3128825
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