MoSi_(2)涂层高温富氧火焰冲刷失效机理研究

MoSi_(2)高温氧化时表面可生成保护性SiO_(2),有望用于推力室喷管内表面抗高温氧化涂层材料。然而,在1800℃及以上超高温火焰冲刷考核条件下,MoSi_(2)涂层发生快速损伤失效。为揭示MoSi_(2)涂层超高温冲刷失效机理,系统研究了推力室喷管不同位置涂层的氧化行为和损伤规律。结果表明:涂层损伤分为5个特征区域,分别为前缘、喉部、过渡段、中部和尾部,其中喉部发生整个涂层剥落,尾部涂层仍保持完整。MoSi_(2)涂层的主要失效形式为:超高温下MoSi_(2)涂层晶界快速氧化和氧化膜快速挥发,产生晶界裂纹,晶界裂纹合并形成网状、贯穿性、大尺度的纵向裂纹,将MoSi_(2)涂层分割成岛状区域。在热冲击载荷作用下,岛状区域MoSi_(2)涂层发生剥落失效。指出了MoSi_(2)涂层超高温冲刷腐蚀机理,为发展推力室喷管用长寿命MoSi_(2)超高温抗氧化涂层提供了理论方向。

铝化物涂层拓扑密排相的研究进展

铝化物涂层因其良好的抗高温氧化能力而被应用于航机和燃机叶片的高温防护。在涂层制备与服役过程中,涂层与基体元素互扩散,使基体的相结构发生转变,导致在涂层/基体界面形成互扩散区(IDZ),并析出富含Re、W、Cr、Mo等元素的细小拓扑密排相(TCP相)。TCP相的析出导致固溶强化效果减弱,同时作为一种脆性相促进了裂纹的产生,此外,互扩散区的形成减小了基体的承载面积,导致基体的高温蠕变性能下降。针对涂层TCP相的析出及IDZ的形成机理进行了介绍,分析了TCP相的类型(σ相、μ相、P相)、特点及对基体性能的危害。添加铂族改性元素和预沉积Ni层是抑制TCP相析出的主要方法,添加改性元素可以增大固溶元素的固溶度,并抑制TCP相的生长和成核,而预沉积Ni层可以减小固溶强化元素的扩散。最后,展望了未来可通过添加多元改性元素或元素改性与预沉积Ni相结合的方法来抑制铝化物涂层TCP相的析出。

元素改性铝化物涂层研究进展

铝化物涂层在高温环境中服役时形成Al_(2)O_(3)膜,从而有效地提高了部件的抗高温氧化和耐热腐蚀性能,延长了部件服役寿命,因此其成为燃气轮机热端部件的重要热防护涂层。然而,单一铝化物涂层在服役时易出现富铝态的β-NiAl相向贫铝态的γ-Ni_(3)Al相的相变,使涂层中的Al含量降低,导致涂层难以持续形成致密Al_(2)O_(3)膜。对利用元素改性(如Si、Cr、Co、Pt、Pd和稀土)提高铝化物涂层的抗高温氧化和耐热腐蚀性能进行了概述,指出Pt元素能同时促进Al元素氧化成致密的Al_(2)O_(3)膜和提高氧化膜的抗剥落能力,对铝化物涂层的高温性能改性效果最好;基于单元素改性效果,发展了多种元素(二元和三元)共改性铝化物涂层,以Pt与阻碍涂层与基体间元素扩散的元素或抑制相变元素的共同改性能更有效提高铝化物涂层的性能;最后,未来改性铝化物涂层的发展趋势可能是Pt与稀土或其他元素更高元共改性(四元或五元)。

Inconel 718高温合金表面铝化物涂层的制备及其形成机制

Inconel 718高温合金表面制备的铝化物涂层的组织结构及其形成机理,是提高该高温合金抗高温氧化和耐腐蚀性能的关键。采用化学气相沉积法在高温合金Inconel 718表面制备了铝化物涂层,通过结合使用材料热力学模拟软件JMatPro、X射线衍射仪、X射线能谱仪和扫描电子显微镜等表征手段,详细研究了铝化物涂层的微观组织结构。研究结果表明:在1 050℃温度条件下,经过1.5 h反应,Inconel 718表面生成了双层结构的铝化物涂层,其外层厚度为14.1μm,主要由β-NiAl相组成,内层厚度为5.9μm,由σ相和Laves相组成;外层的β-NiAl相形成是由Inconel 718高温合金中的Ni元素外扩散至表面后,与环境中的卤化铝反应而生成的;大量的Ni元素外扩散导致高温合金中的γ-Ni相减少,当高温合金中Ni元素的含量(原子分数)减少至49%时γ-Ni相中开始析出Laves相,当Ni元素的含量减少至40%时σ相也开始析出,当Ni元素的含量最终降至9%时Inconel 718高温合金完全转变成由σ相和Laves相组成的铝化物内层。研究结果深入揭示了涂层形成的机理,为优化铝化物涂层制备工艺提供了重要的理论基础。同时,对于Inconel718高温合金的高温稳定性和腐蚀性能的提升具有实际应用价值。

CVD法制备Inconel 718高温合金表面铝化物涂层高温氧化行为研究

Inconel 718高温合金是燃气轮机和航空发动机热端部件的关键核心材料,其表面通常制备有铝化物涂层,起到提高抗氧化和热腐蚀性能的作用。理解铝化物涂层的高温氧化行为,是提高部件抗高温氧化能力的关键。采用化学气相沉积(CVD)技术,在Inconel 718高温合金表面制备了铝化物涂层,在大气环境、950℃条件下开展了恒温氧化测试,采用扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线能谱等手段,研究了其高温氧化行为,并与Inconel 718高温合金进行对比。结果表明:Inconel 718高温合金表面制备的CVD铝化物涂层,其表面粗糙,具有双层结构。外层为富含Ni和Al元素的β-NiAl层,平均厚度为14.1μm,内层为富含Fe和Cr元素的σ相与富含Nb、Mo和Fe元素的Laves相共存的互扩散层,平均厚度为5.9μm。恒温氧化后,Inconel 718高温合金表面氧化生成了Cr_(2)O_(3)膜,而CVD铝化物涂层表面氧化生成了α-Al_(2)O_(3)膜。Cr_(2)O_(3)膜和α-Al_(2)O_(3)膜的生长都遵循抛物线型生长规律,Cr_(2)O_(3)膜的生长速率常数为0.86μm·h^(-1/2),α-Al_(2)O_(3)膜的生长速率常数为0.15μm·h^(-1/2)。此外,观察发现Inconel 718高温合金发生了内氧化,而CVD铝化物涂层未出现内氧化,两者氧化行为差异的原因在于CVD铝化物涂层中的β-NiAl相,其氧化生成均匀、连续、致密的α-Al_(2)O_(3)膜,阻止了内部金属发生进一步氧化。本研究揭示了Inconel 718高温合金和CVD铝化物涂层的抗高温氧化作用机理,为Inconel 718高温合金用高抗氧化性CVD铝化物涂层的制备及应用提供了技术支撑。

高速低温喷涂气固作用行为及喷涂系统研究进展

高速低温喷涂是利用固相或含固相的低温粉末在高速度、高动能作用下碰撞基体表面沉积的喷涂方法,具有氧化轻微、结合牢固、组织致密、综合力学性能优异等潜在优势,在高性能金属或金属基复合材料涂层制备、增材制造和零件损伤修复等领域获得广泛关注。以粉末低温高速碰撞沉积过程为主线,凝练现有冷喷涂和低温超音速火焰喷涂两种具体工艺的共性特征,阐明喷涂气流与粉末颗粒的气固两相交互作用规律,分析出合理调控颗粒温度和速度是改善沉积体性能的关键。其次分析高速低温喷涂设备系统的构成,详细讨论各核心部件的结构设计策略及对气固流动行为的影响,总结出通过调整工艺参数与喷枪结构,可以实现颗粒温度和速度的按需控制。最后,对高速低温喷涂工艺及设备系统发展目前尚存的关键问题进行展望。总结如何通过喷涂参数与装置设计,最终达成调控沉积体性能的目的,有助于深入理解高速低温喷涂的沉积机理,对研制高性能的喷涂设备系统具有参考意义。

热障涂层服役温度测试与隔热机理

热障涂层(TBC)被用于航空发动机涡轮叶片表面的热防护,主要由粘结层和陶瓷层组成,准确测量陶瓷层表面与粘结层/陶瓷层界面温度分布对指导涂层高隔热结构设计与制备具有重要意义。现有非接触式与接触式测温技术可测量表面温度,接触式测温技术可测量界面温度。主要介绍了3种用于测量航空发动机涡轮叶片表面温度的技术,其中,适用于TBC表面测温的包括以光学原理为主的红外辐射、荧光、晶体、光纤测温技术;以热致变原理为主的示温漆测温技术;适用于TBC界面测温的以热电原理为主的填埋式热电偶、薄膜热电偶测温技术,并介绍了其测温的原理、优势和局限性。进一步对TBC隔热机理及性能优化进行了介绍,并对TBC表/界面测温技术及涂层结构设计方向进行了展望。

高反射高隔热激光防护涂层制备及其防护性能

激光武器进入实战应用阶段,空天武器的抗激光防护研究迫在眉睫。高能激光长时间辐照,造成如金属反射层氧化反射率降低、烧蚀层质量损失、隔热层韧性不足等问题。基于此,提出一种综合利用反射和隔热原理的复合型激光防护策略。通过调控喷涂功率、喷涂距离等参数,采用超音速火焰喷涂技术和等离子喷涂技术分别制备了NiCoCrAlTaY粘结层、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)面层的双层涂层,探究表面粗糙度与孔隙率对反射率的影响规律,并考察了涂层的激光防护性能。结果表明:喷涂功率或喷涂距离越大,涂层的层状效果越明显,断面孔隙越多。涂层表面粗糙度随喷涂距离的增大先降低后增加。去除二次反射结构后的涂层表面Ra=1.8μm,当Ra=0.5μm时,涂层中的楔形结构使涂层反射率相较于Ra=1.8μm时的反射率提升了约2.4%。指出层状孔隙是高反射楔形结构的关键,球形孔隙是激光吸收点,孔隙率14.7%的工艺参数(39 kW,100 mm)为最优。在激光烧蚀试验中,激光功率密度的增加,涂层裂纹逐渐增多,直至烧蚀孔洞,线烧蚀率近似抛物线增长。低激光功率密度条件下(<3800 W/cm^(2)),表层组织轻微变化,功率增大,表层裂纹增多加深,重凝区花瓣状组织增大;大功率激光密度(>8050 W/cm^(2))条件下,涂层表层部分剥离与烧蚀孔洞致使涂层失效。

压气机整体叶盘修复再制造的研究进展

压气机整体叶盘的应用,是高性能发动机的典型技术之一,但整体叶盘接触包含各种固体物的高速气流,频繁出现多种不同形式的结构损伤和性能衰退,严重制约发动机高性能、高可靠和长寿命运行。基于深度维修的整体叶盘再制造技术,是解决上述难题的有效途径。本文针对压气机整体叶盘修复再制造过程中的共性基础问题,总结国内外整体叶盘修复再制造的历史沿革和技术发展,根据整体叶盘几何结构损伤形式和服役损伤形式,从损伤可修复评估与设计、熔焊修复技术、压力焊修复技术、钎焊及激光增材修复及技术、表面加工及优/强化技术等五个部分进行系统阐述,并探讨整体叶盘修复再制造中评估设计、技术发展和深度修复等重要问题,旨在推动整体叶盘再制造技术快速发展和应用。

多孔结构可磨耗涂层抗氧化性能评价方法

防钛火可磨耗封严涂层的抗氧化性能是决定其服役寿命的重要因素。然而,当涂层呈现孔隙率高达50%量级的多孔结构,经典的氧化增重评价方法不适用。为构建多孔结构涂层抗氧化性能的合理评价方法,以防钛火可磨耗封严涂层为典型的多孔结构合金涂层研究对象,通过系统研究涂层氧化动力学规律、氧化膜分布特征,揭示了多孔结构涂层内表面氧化机制,建立合理考虑涂层实际氧化表面积的多孔结构涂层抗氧化性能评价方法。结果表明,孔隙作为环境氧的快速扩散通道,使涂层与环境氧的接触面积增大2个数量级,导致根据经典氧化增重法所得氧化膜厚度比实际表面氧化膜厚度高2个数量级。据此,通过建模计算包含外表面和内表面的多孔涂层实际氧化面积,构建基于实际氧化表面积的涂层抗氧化评价方法。采用该方法评价NiCrAl-膨润土可磨耗封严涂层,得出600℃空气氧化条件下该涂层平均氧化速率为1.8×10^(-2) g·m^(-2)·h^(-1),达到标准HB5258—2000规定的完全抗氧化级。上述评价方法为准确评价多孔涂层抗氧化性能从而保障涂层可靠服役提供方法支撑。

防钛火隔热层抗开裂界面粗糙化设计制备研究

钛合金在航空发动机中应用广泛,但它们在遇到剧烈冲击、摩擦等极端情况时易发生钛火,继而引起整台发动机着火,造成严重后果。在钛合金表面涂覆阻燃涂层是目前解决钛火问题的主要方法之一。然而,阻燃涂层是由陶瓷隔热层与金属基可磨耗面层组成的多层复合结构,在服役过程中,陶瓷/金属异质界面常发生剥落失效。基于此,主要开展陶瓷隔热层表面粗糙化设计,提升涂层抗开裂能力。首先,为确定喷涂工艺对粉末熔化程度的影响规律,采用模拟与试验相结合的方法,研究了空心与实心两种YSZ粉末粒子在等离子束流内的加热加速过程,明确了调控粉末熔化状态的控制参数,试验沉积单个扁平粒子验证了模拟结果的合理性。其次,开展了陶瓷隔热层表面形貌调控研究。基于模拟结果,确定隔热层主体应采用高功率,以保证粉末充分熔化;表面粗化层采用较低功率以获得半熔化态氧化锆球壳,从而制备得到表面具有较大粗糙度、内部具有良好隔热防钛火功能的新型隔热层结构。涂层表面的粗糙化设计,有利于提高金属陶瓷的异质界面结合强度,支撑涂层的长寿命防护。

钛合金研究、加工与应用的新进展

综述了国内外钛合金研究的新进展,重点介绍了新型钛合金、加工技术和应用的进展情况,并对钛的将来发展方向进行了评述。

隔热可磨耗封严涂层界面断裂行为的数值模拟

为探究隔热可磨耗封严涂层的失效行为,研究了界面粗糙度、界面附近可磨耗面层结构对复合涂层开裂的影响规律。采用内聚力模型以及相场法描述裂纹沿界面整体剥落以及可磨耗面层内部断裂行为,揭示了涂层的剥落失效机理。研究发现,随着界面粗糙度的增加,涂层结合强度和开裂趋势呈现相反的变化规律。一方面,无损伤复合涂层界面有效接触面积增大,结合强度提高;另一方面,随着粗糙度的增加,面层内部断裂更加容易。因此,需合理优化界面粗糙度。此外,界面附近面层孔隙会降低界面处的结合强度。据此,选择合适的界面粗糙度,并在可磨耗面层与隔热层之间引入抗开裂致密过渡层,以消除面层孔隙对复合涂层界面强度的弱化作用,设计出抗开裂涂层。

再结晶退火对Ni_（47）Ti_（44）Nb_9合金冷轧板相组成及板材织构的影响

采用Ｘ射线衍射术和ＯＤＦ研究了再结晶退火对Ｎｉ４７Ｔｉ４４Ｎｂ９合金冷轧板相组成和织构的影响。结果表明，冷轧板材的相组成为Ｂ２＋β－Ｎｂ＋Ｂ１９＇；织构类型为面织构｛００１｝ｐ＋｛１１０｝ｐ再结晶退火期间，马氏体相Ｂ１９＇逆转变为母相Ｂ２，合金的相组成为：Ｂ２十β－Ｎｂ，而再结晶织构为：｛００１｝＜１１０＞ｐ。

Ti-Ni-Nb宽滞后记忆合金的研究进展

Ti－Ni－Nb形状记忆合金由于其较宽的相变滞后和优良的形状记忆性能，是一种很有前途的管接头和紧固件用材。本文论述了Ti－Ni－Nb合金滞后加宽的工程意义，介绍了近十年来Ti－Ni－Nb合金显微组织、马氏体相变、力学行为、应变恢复率、低温热容和机械加工特性等方面的研究进展及发展趋势。

Ti-Al系金属间化合物基复合材料的发展

介绍了Ti-Al系金属间化合物基复合材料的研究现状和发展趋势。对近10年来有关Ti-Al系金属间化合物基复合材料制造工艺、界面特性和机械性能研究状况进行了系统的综述。

Ta,Nb和Mo对Ti_(50)Ni_(20)Cu_(25)Sn_5非晶合金玻璃形成能力的影响(英文)

利用旋转铜辊急冷法和铜模铸造法制备非晶合金薄带或圆棒,并采用X衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)和差示热分析仪(DTA)研究了Ta,Nb和Mo对Ti50Ni20Cu25Sn5非晶合金玻璃形成能力(GFA)的影响。结果表明,Ta的添加提高了Ti50Ni20Cu25Sn5合金的GFA,Mo的添加降低了该合金的GFA,Nb的添加则对该合金的GFA没有明显的影响;含Ta合金具有超过60K的宽过冷液态区(ΔTx),且其约化玻璃转变温度因子(Tg/Tm)大于含Nb合金和含Mo合金;采用常规铜模铸造法制备出了直径为1mm的(Ti0.5Ni0.2Cu0.25Sn0.05)98Ta2和(Ti0.5Ni0.2Cu0.25Sn0.05)96Ta4块状非晶圆棒;(Ti0.5Ni0.2Cu0.25Sn0.05)98Ta2块状非晶圆棒的Tg,ΔTx和Tg/Tm分别为678K,84K和0.60,而(Ti0.5Ni0.2Cu0.25Sn0.05)96Ta4块状非晶圆棒的Tg,ΔTx和Tg/Tm分别为680K,70K和0.60。

合金成分对Ti－Ni－Nb合金相变特性及形状记忆效应的影响

应用扫描电镜、电子探针、Ｘ射线衍射、低温拉伸及电阻法等分析技术，研究了５种Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ形状记忆合金的组织、相变特性和应变恢复率。结果表明：随着Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ合金中铌含量的增加，β─Ｎｂ相的体积分数增加，Ｍ＿ｓ温度和应变恢复率降低，而相变温度滞后变化不大。为获得较宽的相变温度滞后和高的应变恢复率，Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ合金的钥含量应控制在８ａｔ％～９ａｔ％之间。

Ti－Ni－Nb三元系相图700℃等温截面

应用多元扩散偶－电子探针微区成分分析技术，测定了Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ三元系相图７００℃等温截面，确定了该三元系相图的７００℃等温截面的１２个单相区、２３个两相区和１０个三相区。１２个单相区是：α－Ｔｉ、β－（Ｔｉ，Ｎｂ）、Ｔｉ_２Ｎｉ、ＴｉＮｉ、ＴｉＮｉ_３、（Ｎｉ）、Ｎｉ_３Ｎｂ、Ｎｉ_６Ｎｂ_７、Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂ、Ｘ_Ｃ和Ｘ_Ｄ，其中Ｘ_Ｂ化合物为首次发现。

Ti-Ni-Nb三元系相图800℃等温截面的实验测定

应用多元扩散偶—电子探针微区成分分析技术，研究了Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ三元系相图８００℃下的相平衡关系，确定了该三元系相图８００℃等温截面的１２个单相区、２２个两相区和９个三相区。首次给出了Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ三元系相图的８００℃等温截面。此外，还确定了４种三元化合物（ＸＡ，ＸＢ，ＸＣ和ＸＤ）的存在，其中ＸＢ为作者首次发现，其化学计量式为Ｔｉ３Ｎｉ９Ｎｂ８。