单晶高温合金用低扩散铂铝涂层的制备及性能研究
发布时间：2022-02-10 13:04
因同时具有优异抗氧化和抗热腐蚀综合性能,β-（Ni,Pt）Al涂层被广泛应用于先进航空发动机和燃气涡轮发动机关键热端部件（如单晶涡轮转子和导向叶片）的表面防护。由于（Ni,Pt）Al涂层Al含量高,在高温环境下涂层会与单晶合金基体发生严重的元素互扩散,这种元素互扩散将导致涂层发生快速退化进而失去抵抗高温氧化能力,同时在基体侧生成含有针尖状TCP相的二次反应区（SRZ）。二次反应区的形成会破坏单晶基体中的γ/γ’共格结构,使得单晶基体的高温力学性能（尤其高温蠕变和疲劳）发生明显下降。为了解决（Ni,Pt）Al涂层与单晶的元素互扩散问题,本文将采取两种方法减少β-（Ni,Pt）Al涂层与基体的元素扩散:一是采用预镀Ni层的方式制备β-（Ni,Pt）Al/Ni复合涂层,使形成（Ni,Pt）Al涂层所需的Ni源来自预镀的Ni层,在延缓TCP相析出的同时拥有良好的抗氧化性能;二是引入Ni-Re层作为β-（Ni,Pt）Al涂层和单晶高温合金之间的扩散障前驱体,制备低扩散NiRePtAl涂层,使其在更长时间和更高温度下拥有更好的抗氧化性能。主要研究内容以及成果如下所示:为使涂层具有良好抗氧化性能的同...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【图文】：
图１．２?Ｎｉ－Ｐｔ－Ａ丨在１１００?°Ｃ下的三元相图＿??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｎｉ－Ｐｔ－Ａｌ?ｔｅｒｎａｒｙ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ａｔ?１１００?°Ｃ??
?第１章绪论???图１．３?ＮｉＣｏＣｒＡ丨Ｙ涂层断面形貌图岡??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｈｅ?ｆｒａｃｔｕｒｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ?ｃｏａｔｉｎｇ??（４）热障涂层：??为了达到航空发动机高推重比的温度要求，一方面需要采用最先进的气膜??冷却技术，另一方面需要在叶片表面施加热障涂层（Ｔｈｅｒｍａｌ?Ｂａｒｒｉｅｒ?Ｃｏａｔｉｎｇｓ，??ＴＢＣｓ）来降低基体材料温度［１３］。２０世纪５０￣６０年代，热障涂层是直接将Ａ１２０３??或Ｚｒ０２这样的陶瓷层直接喷涂于合金基体表面来制备的。但由于Ａｂ〇３的热导??率较高，以及Ｚｒ０２的高温热稳定性较差，使用起来均达不到理想效果。后期引??入ＭＣｒＡｌＹ或铀铝涂层作为粘结层，同时在外层使用Ｙ２０３部分稳定的Ｚｒ０２作??为陶瓷外层，外层的隔离作用能够使涂层表面温度降低１５０?°Ｃ左右，这样热障??涂层体系才逐渐满足应用要求。??如图１．４所示典型的热障涂层体系由四层组成，分别为陶瓷层、热生??长氧化膜（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ?Ｇｒｏｗｎ?Ｏｘｉｄｅ，?ＴＧＯ）、粘结层和高温合金基体丨４９，５９＂＾。陶??瓷层一般为?７?ｗｔ．％￣８?ｗｔ．％?Ｙ２Ｏ３?部分稳定的?Ｚｒ〇２?（Ｙｔｔｒｉａ－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ?Ｚｉｒｃｏｎｉａ，??ＹＳＺ），常见的制备手段为ＰＳ和ＥＢ－ＰＶＤ，陶瓷层主要起隔热作用，降低叶片??的表面温度；中间的粘结层是一种抗氧化的金属涂层，通常为ＭＣｒＡｌＹ包覆涂??层或铀铝涂层，ＭＣｒＡｌＹ包覆涂层一般通过ＡＩＰ和ＥＢ－ＰＶＤ的方法制备；Ｐｔ改??性的铝化物涂层，一般通过电镀、退火以及后续的扩散渗铝制备得到。通常发?
?第１章绪论???呈凸起状态。随着氧化过程的持续，体积变化进一步增大，最终在涂层表面发??生褶皱。因为氧化膜的变形速度与涂层体积变化速度不一致，氧化膜下方容易??形成孔洞，产生裂纹，氧化膜将发生剥落，进而失去对涂层的保护作用。因此??涂层褶皱现象将同样严重影响涂层的抗高温氧化性能。??剥落褶皱?裂纹氧化膜??＾Ｖｉ，Ｐｔ涂层?＾?丨涂；＾??图１．５?ｐ－（Ｎｉ，Ｐｔ）Ａｌ涂层表面褶皱的形成示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｒｕｍｐｌｉｎｇ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｐ￣（Ｎｉ，Ｐｔ）Ａｌ?ｃｏａｔｉｎｇ??（３）降低氧化膜粘附性??在单晶高温合金上涂覆Ｐ－（Ｎｉ，Ｐｔ）Ａｌ涂层会在热循环暴露过程中生成具有较??低氧化速率和良好粘附性的ａ－Ａｌ２０３氧化膜，这种连续致密的氧化膜会提高涂层??的抗氧化性。但是被设计在较高温度下使用的单晶高温合金，特别是ＮｂＡｌ基??金属间化合物中有大量的难熔元素固溶在基体的Ｙ相和ｆ相中［７５＿７７】。在高温氧??化过程中，基体中的难熔元素（如Ｍｏ、Ｗ）易向涂层发生外扩散，并在涂层表??面形成挥发性氧化物（如Ｍｏ０３），破坏氧化膜的附着力进而破坏其完整性［７５］，??使涂层上的氧化膜发生开裂和剥落现象，这将严重限制防护涂层的使用寿命［７８，??７９】。??（４）降低合金基体高温力学性能??高温氧化期间，除了基体中的难熔元素会向涂层扩散，基体中的Ｎｉ元素同??样会向涂层发生扩散。如图１．６所示，基体中Ｎｉ元素减少的同时吸收了涂层向??基体扩散来的Ａ１元素，因此基体中原始的Ｙ／Ｙ’共格结构被破坏，且伴随发生了??由ｙ－Ｎｉ相向Ｙ＇－
【参考文献】：
期刊论文
[1]Preparation and Hot Corrosion Behavior of a NiCrAlY+AlNiY Composite Coating[J]. Xin Peng,Sumeng Jiang,Jun Gong,Xudong Sun,Cao Sun. Journal of Materials Science & Technology. 2016(06)
[2]镍基单晶高温合金扩散阻挡层的研究进展[J]. 于萍,訾艳艳,姜维,王文,朱圣龙. 材料导报. 2015(09)
[3]Influence of Sputtered Nanocrystalline Coating on Oxidation and Hot Corrosion of a Nickel-based Superalloy M951[J]. Xinyue Wang,Li Xin,Fuhui Wang,Shenglong Zhu,Hua Wei,Xiaolan Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2014(09)
[4]镍基单晶高温合金研究进展[J]. 孙晓峰,金涛,周亦胄,胡壮麒. 中国材料进展. 2012(12)
[5]镍基合金高温扩散阻挡层的研究进展[J]. 孙可为,周万城. 材料导报. 2012(17)
[6]电弧离子镀技术及其在硬质薄膜方面的应用[J]. 邱家稳,赵栋才. 表面技术. 2012(02)
[7]Al含量变化对CoNiCrAlYRe合金氧化行为的影响[J]. 兰昊,杨志刚,张玉朵,张弛. 稀有金属材料与工程. 2011(01)
[8]Cyclic Corrosion Behavior of Pt/Ru-Modified Bond Coatings Exposed to NaCl Plus Water Vapor at 1050℃[J]. H.Murakami. Journal of Materials Science & Technology. 2010(03)
[9]先进航空发动机热障涂层技术研究进展[J]. 郭洪波,宫声凯,徐惠彬. 中国材料进展. 2009(Z2)
[10]高温防护涂层扩散阻挡层的研究进展[J]. 李伟洲,王启民,孙超. 材料导报. 2009(09)
本文编号：3618940
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：109 页
【学位级别】：博士
【图文】：
图１．２?Ｎｉ－Ｐｔ－Ａ丨在１１００?°Ｃ下的三元相图＿??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｎｉ－Ｐｔ－Ａｌ?ｔｅｒｎａｒｙ?ｐｈａｓｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ａｔ?１１００?°Ｃ??
?第１章绪论???图１．３?ＮｉＣｏＣｒＡ丨Ｙ涂层断面形貌图岡??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｈｅ?ｆｒａｃｔｕｒｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ?ｃｏａｔｉｎｇ??（４）热障涂层：??为了达到航空发动机高推重比的温度要求，一方面需要采用最先进的气膜??冷却技术，另一方面需要在叶片表面施加热障涂层（Ｔｈｅｒｍａｌ?Ｂａｒｒｉｅｒ?Ｃｏａｔｉｎｇｓ，??ＴＢＣｓ）来降低基体材料温度［１３］。２０世纪５０￣６０年代，热障涂层是直接将Ａ１２０３??或Ｚｒ０２这样的陶瓷层直接喷涂于合金基体表面来制备的。但由于Ａｂ〇３的热导??率较高，以及Ｚｒ０２的高温热稳定性较差，使用起来均达不到理想效果。后期引??入ＭＣｒＡｌＹ或铀铝涂层作为粘结层，同时在外层使用Ｙ２０３部分稳定的Ｚｒ０２作??为陶瓷外层，外层的隔离作用能够使涂层表面温度降低１５０?°Ｃ左右，这样热障??涂层体系才逐渐满足应用要求。??如图１．４所示典型的热障涂层体系由四层组成，分别为陶瓷层、热生??长氧化膜（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ?Ｇｒｏｗｎ?Ｏｘｉｄｅ，?ＴＧＯ）、粘结层和高温合金基体丨４９，５９＂＾。陶??瓷层一般为?７?ｗｔ．％￣８?ｗｔ．％?Ｙ２Ｏ３?部分稳定的?Ｚｒ〇２?（Ｙｔｔｒｉａ－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ?Ｚｉｒｃｏｎｉａ，??ＹＳＺ），常见的制备手段为ＰＳ和ＥＢ－ＰＶＤ，陶瓷层主要起隔热作用，降低叶片??的表面温度；中间的粘结层是一种抗氧化的金属涂层，通常为ＭＣｒＡｌＹ包覆涂??层或铀铝涂层，ＭＣｒＡｌＹ包覆涂层一般通过ＡＩＰ和ＥＢ－ＰＶＤ的方法制备；Ｐｔ改??性的铝化物涂层，一般通过电镀、退火以及后续的扩散渗铝制备得到。通常发?
?第１章绪论???呈凸起状态。随着氧化过程的持续，体积变化进一步增大，最终在涂层表面发??生褶皱。因为氧化膜的变形速度与涂层体积变化速度不一致，氧化膜下方容易??形成孔洞，产生裂纹，氧化膜将发生剥落，进而失去对涂层的保护作用。因此??涂层褶皱现象将同样严重影响涂层的抗高温氧化性能。??剥落褶皱?裂纹氧化膜??＾Ｖｉ，Ｐｔ涂层?＾?丨涂；＾??图１．５?ｐ－（Ｎｉ，Ｐｔ）Ａｌ涂层表面褶皱的形成示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｒｕｍｐｌｉｎｇ?ｏｎ?ｔｈｅ?ｐ￣（Ｎｉ，Ｐｔ）Ａｌ?ｃｏａｔｉｎｇ??（３）降低氧化膜粘附性??在单晶高温合金上涂覆Ｐ－（Ｎｉ，Ｐｔ）Ａｌ涂层会在热循环暴露过程中生成具有较??低氧化速率和良好粘附性的ａ－Ａｌ２０３氧化膜，这种连续致密的氧化膜会提高涂层??的抗氧化性。但是被设计在较高温度下使用的单晶高温合金，特别是ＮｂＡｌ基??金属间化合物中有大量的难熔元素固溶在基体的Ｙ相和ｆ相中［７５＿７７】。在高温氧??化过程中，基体中的难熔元素（如Ｍｏ、Ｗ）易向涂层发生外扩散，并在涂层表??面形成挥发性氧化物（如Ｍｏ０３），破坏氧化膜的附着力进而破坏其完整性［７５］，??使涂层上的氧化膜发生开裂和剥落现象，这将严重限制防护涂层的使用寿命［７８，??７９】。??（４）降低合金基体高温力学性能??高温氧化期间，除了基体中的难熔元素会向涂层扩散，基体中的Ｎｉ元素同??样会向涂层发生扩散。如图１．６所示，基体中Ｎｉ元素减少的同时吸收了涂层向??基体扩散来的Ａ１元素，因此基体中原始的Ｙ／Ｙ’共格结构被破坏，且伴随发生了??由ｙ－Ｎｉ相向Ｙ＇－
【参考文献】：
期刊论文
[1]Preparation and Hot Corrosion Behavior of a NiCrAlY+AlNiY Composite Coating[J]. Xin Peng,Sumeng Jiang,Jun Gong,Xudong Sun,Cao Sun. Journal of Materials Science & Technology. 2016(06)
[2]镍基单晶高温合金扩散阻挡层的研究进展[J]. 于萍,訾艳艳,姜维,王文,朱圣龙. 材料导报. 2015(09)
[3]Influence of Sputtered Nanocrystalline Coating on Oxidation and Hot Corrosion of a Nickel-based Superalloy M951[J]. Xinyue Wang,Li Xin,Fuhui Wang,Shenglong Zhu,Hua Wei,Xiaolan Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2014(09)
[4]镍基单晶高温合金研究进展[J]. 孙晓峰,金涛,周亦胄,胡壮麒. 中国材料进展. 2012(12)
[5]镍基合金高温扩散阻挡层的研究进展[J]. 孙可为,周万城. 材料导报. 2012(17)
[6]电弧离子镀技术及其在硬质薄膜方面的应用[J]. 邱家稳,赵栋才. 表面技术. 2012(02)
[7]Al含量变化对CoNiCrAlYRe合金氧化行为的影响[J]. 兰昊,杨志刚,张玉朵,张弛. 稀有金属材料与工程. 2011(01)
[8]Cyclic Corrosion Behavior of Pt/Ru-Modified Bond Coatings Exposed to NaCl Plus Water Vapor at 1050℃[J]. H.Murakami. Journal of Materials Science & Technology. 2010(03)
[9]先进航空发动机热障涂层技术研究进展[J]. 郭洪波,宫声凯,徐惠彬. 中国材料进展. 2009(Z2)
[10]高温防护涂层扩散阻挡层的研究进展[J]. 李伟洲,王启民,孙超. 材料导报. 2009(09)
本文编号：3618940
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