HVOF喷涂Co基合金涂层的制备及其高温氧化和磨损行为研究
本文关键词：HVOF喷涂Co基合金涂层的制备及其高温氧化和磨损行为研究 出处：《钢铁研究总院》2017年博士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：Co基合金涂层广泛应用于航空发动机多个零部件表面的强化。随着发动机工作效率的提高,涡轮进口温度升高,工作压力加大,涂层需要在更高温度、更重载荷的环境下工作,其应用性能面临严峻的考验,在服役过程中存在着因使用温度升高而引起的过早失效现象,严重影响了飞行安全。因此开发新的涂层材料和先进的涂层制备技术以提高涂层在高温下的使用寿命对现代航空发动机整体性能的提升具有重要意义。本文通过提高现有Co基涂层中的Cr含量和添加活性元素Y,设计制备了两种新型Co基合金涂层材料,采用正交试验法获得了优化的HVOF喷涂工艺,系统研究了 Co基合金涂层的抗高温氧化和高温微动磨损行为。建立了在800～1000℃、300小时范围内涂层氧化的动力学模型,阐明了 Cr和Y对涂层抗高温氧化行为的影响机制,揭示了涂层静态高温氧化动力学规律和氧化失效机制。具体的研究结论如下:采用优化的HVOF工艺制备的涂层显微结构致密均匀,孔隙率1%,不存在大孔径孔隙、垂直裂纹和平行裂纹,氧化物夹杂含量1%。Cr含量的提高或活性元素Y的添加未对涂层的显微硬度和结合强度产生不利影响,涂层的显微硬度(HV200)≥700,结合强度≥70MPa;涂层孔隙率对硬度和结合强度有明显影响,当孔隙率由8%降低至0.5%时,涂层的显微硬度由507升高至705,结合强度由51.5MPa 升高至 71.9MPa。Co-XY-1 和 Co-XY-3 涂层在 800-900℃ 以及 Co-XY-2 涂层在 800-1000℃ 的氧化动力学曲线指数因子n≥2,氧化速率随时间的延长而明显降低,涂层具有优异的抗高温氧化性能;在950℃和1000℃,Co-XY-1和Co-XY-3涂层氧化过程中氧化膜剥落严重,氧化动力学曲线介于直线和平方抛物线规律之间。Cr含量的增加可缩短初始氧化和稳定氧化之间的时间间隔,降低涂层的氧化速率,提高氧化膜中Cr203的纯度;Y的加入改变了 Cr203膜的生长机制,降低了形成完整Cr203膜的临界铬含量,提高了氧化膜的粘附性能,两者均有利于改善涂层的抗高温氧化性能。元素Y的添加不仅降低了涂层的氧化速率,而且增强了氧化膜的抗剥落性能,对抗高温氧化性能的改善作用优于Cr含量的提高。氧化过程中涂层外侧存在不同程度的Cr元素贫化现象,其中以Co-XY-3涂层最重,Co-XY-2涂层最轻。随着氧化时间延长和温度升高,贫化程度增加;氧化膜破损后,涂层表面Cr的贫化程度均明显增强。涂层表面的氧化和Cr的贫化是涂层退化并最终失效的主要原因。涂层失效的突破口在于初生氧化膜的局部破损,外表面由于Cr的贫化而无法阻碍Co元素的快速氧化,涂层向基体材料方向迅速退化,直至涂层失效。涂层对基体材料的耐高温微动磨损性能均具有明显的改善作用。在600℃和800℃微动磨损条件下,Co-XY-2涂层表面的磨损量最小,Co-XY-1和Co-XY-3表面的磨损量基本相当。活性元素Y的加入提高了表面氧化膜与涂层的黏附性,从而提高了涂层的抗高温微动性能,Cr含量增加对涂层抗高温微动磨损性能无明显影响。
【学位授予单位】：钢铁研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：V263
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，本文编号：1328976
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