喷砂对MCrAlY-单晶高温合金界面组织影响研究

目的 研究在单晶表面喷砂预处理对MCrAlY-单晶高温合金界面的组织的影响。方法 对单晶基材进行不同载荷条件下的喷砂处理(包括无喷砂、轻喷砂及重喷砂),然后采用超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在单晶试样上制备MCrAlY涂层,观察高温氧化后涂层-单晶界面组织的演变。真空热处理后,首先对基材和涂层的微观组织结构进行扫描电镜观察表征,然后对涂层进行1 050℃的高温氧化试验,保温287 h后,继续采用背散射电子模式观察TCP相的析出行为,测量并绘制互扩散区和二次反应区析出厚度柱状图。结果高温氧化热暴露过程中,涂层和基体之间发生了明显的元素互扩散现象,喷砂处理对互扩散区大小,尤其是二次反应区的深度,有着显著影响。在该高温氧化试验条件下,轻喷砂和重喷砂对互扩散区厚度的影响不大(重喷砂17.5μm,轻喷砂20μm),但显著促进了SRZ的析出厚度(重喷砂52.5μm,轻喷砂40μm)。结论 喷砂会导致单晶内产生塑性变形(形成GPDZ),且重喷砂会析出更深的二次反应区,对于包覆型MCrAlY涂层在单晶热端部件的表面应用,应当对单晶表面实施轻喷砂或无喷砂处理。

航空发动机高温涂层腐蚀失效研究进展

航空发动机中高温涂层部件在不同的工况下会发生差异化的腐蚀现象。简要介绍了YSZ热障涂层、MCrAlY涂层的主要失效模式,重点梳理了这两类涂层的典型腐蚀失效形式,包括酸性腐蚀、熔盐腐蚀、CMAS腐蚀等。酸性腐蚀是涂层在潮湿环境且一般含有氯、硫条件下发生的弱酸性腐蚀,腐蚀温度为常温。熔盐腐蚀主要针对航空发动机在海洋环境下YSZ热障涂层及MCrAlY涂层面临熔融态盐(如NaCl、Na_(2)SO_(4))发生的腐蚀,腐蚀温度一般为500~1000℃。CMAS腐蚀主要是由沙漠、尘土环境下的复合氧化物引起陶瓷涂层失效,腐蚀温度一般高于1200℃。最后对YSZ热障涂层及MCrAlY涂层的腐蚀失效机理及未来研究方向进行总结和展望。

热冲击条件下硅酸镱环境障涂层组织演变研究

硅酸镱是重要的环境障涂层(EBC)材料,本文采用等离子喷涂方法制备硅酸镱涂层,对其进行了热冲击考核,包括纯燃气和含钙离子水汽热冲击,并初步研究了经过热冲击的涂层组织演变行为。结果表明,高温下双硅酸镱相容易发生向单硅酸镱相的转变,这可能是因为涂层材料和水汽发生了反应。在1350℃燃气环境下,涂层表层发生了明显的烧结现象。在含钙离子水汽热冲击(加热温度1250℃)条件下,硅酸镱涂层表层形成了鼓泡特征,同时受到了钙离子腐蚀。本文通过对涂层显微组织的分析,提供了可能的组织演变与化学反应机制。

热障涂层材料体系研究现状及展望

随着先进航空发动机推进引擎向着高推动力和长服役寿命的方向发展,如今传统的含有6-8wt%的氧化钇稳定氧化锆(6-8YSZ)热障涂层材料体系,在服役温度1200℃以上时,YSZ陶瓷涂层会发生高温相变,产生涂层间的热应力,最终导致涂层剥落失效,因此新材料体系的引入和涂层结构的改进刻不容缓。本文介绍了传统YSZ的发展历史并且阐述了掺杂稀土氧化物稳定氧化锆、钙钛矿结构和稀土锆酸盐(A2Zr2O7)即烧绿石结构等陶瓷材料体系的研究进展和发展前景,并分析了新型氧化铪基体陶瓷热障涂层体系和高熵材料体系涂层研究现状和未来发展趋势,最后对新型热障涂层材料的问题和发展进行了总结和展望。

环境障涂层吹砂及热梯度烧蚀行为

环境障涂层(EBC)在实际服役过程中不仅面临高温燃气热梯度烧蚀环境,还会面临砂砾冲蚀情况。对等离子喷涂的EBC涂层(底层为硅,面层为双硅酸镱)进行了表面吹砂和高温燃气热梯度烧蚀考核试验。首先对EBC涂层的吹砂行为进行了分析,结果表明,吹砂会引起涂层开裂和表层剥落。在经过了1400℃烧蚀考核后,分析了样品不同区域的烧蚀形貌,并重点研究了中心烧蚀区的涂层失效行为。结果表明,中心烧蚀区涂层失效与硅元素的扩散直接相关。根据内部微观组织及显微成分的分析,给出了硅扩散导致涂层烧蚀剥落的机理分析。

环境障涂层含钙镁水汽条件下热冲击行为

环境障涂层(EBC)在实际服役过程中不仅面临高温水汽环境,还会面临钙镁的腐蚀。对等离子喷涂的双硅酸镱EBC涂层进行了1 250℃、300次的含钙镁水汽热冲击考核试验,并进行了涂层微观组织分析。结果表明,考核后涂层表面生成了双层腐蚀结构,其中最外层主要受到了钙腐蚀,生成了明显的多相组织,且包含大孔洞等形貌,该区生成了(Yb/Ca)_(2)Si_(2)O_(7)、(Yb/Ca)_(2)SiO_(5)和(Ca/Yb)_(2)SiO_(4)多相组织;次表层则受到了以镁为主的钙镁离子共同腐蚀,也生成了多晶相(Yb/Mg/Ca)_(2)SiO_(5)和(Mg/Ca/Yb)_(2)SiO_(4),组织相对致密。通过结合表面形貌、横截面组织、微观能谱成分和XRD相结构等分析方式,对EBC涂层在含钙镁水汽热冲击环境下的化学反应机制进行了分析,给出了涂层失效机理分析。

FeCr纳米合金粉的制备及性能

采用电爆炸法制备了FeCr纳米合金粉,对不同放电电压和金属丝丝径对粉体粒径及其分布的影响进行了探究。结果表明,在设备内压力、冷却温度等工艺参数不变的前提下,随着放电电压的增大、金属丝丝径的降低,纳米粉体粒径逐渐降低,粒径分布逐渐变窄。当放电电压为16 kV、金属丝直径为0.2 mm时,制得的FeCr纳米合金粉性能较好,粉体呈光滑球形,粒径大小基本处于100 nm以下,平均粒径仅为57.87 nm,其Fe、Cr、O含量与FeCr合金丝基本相同,物相结构主要为Fe-Cr合金相。

硼化锆基复合陶瓷粉末制备及喷涂涂层抗烧蚀性能

超高温ZrB_(2)/MoSi_(2)陶瓷涂层可有效提高C/C陶瓷基复合材料抗高温烧蚀性能。采用喷雾干燥团聚造粒法制备复合团聚粉末,然后采用等离子致密化工艺对团聚复合粉末进行致密化处理,研究了等离子致密化工艺参数对处理后粉末性能的影响,经等离子致密化处理后,粉末松装密度及流动性均得到了明显提高,当送粉速率为50 g/min时,ZrB_(2)/MoSi_(2)粉末松装密度及流动性分别为3.26 g/cm^(3)和21.5 s/50g,与团聚态粉末相比,松装密度及流动性分别提高了108.97%和59.01%,致密化处理后粉末的氧含量降低至0.05 wt.%,在等离子致密化处理过程中ZrB_(2)/MoSi_(2)复合粉末几乎未被氧化。对等离子喷涂涂层进行了烧蚀试验,烧蚀后涂层结构完整未发生剥落,表明制备的ZrB_(2)/MoSi_(2)涂层具有良好的抗高温烧蚀性能。

Er_(0.5)Yb_(1.5)Si_(2)O_(7)环境障涂层高温CMAS熔盐腐蚀行为研究

硅基陶瓷材料以其优异的性能成为新一代航空发动机热端的候选材料,其在恶劣的服役环境中需要环境障涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)的保护。以稀土硅酸盐为面层的第三代EBC是目前研究的热点之一。采用大气等离子喷涂工艺制备了Er_(0.5)Yb^(1.5)Si_(2)O_(7)环境障涂层面层样品,研究涂层在钙镁铝硅酸盐(CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2),CMAS)覆盖浓度15 mg/cm^(2)、保温温度1350℃、保温时间5 h的腐蚀条件下的腐蚀行为。研究发现Er_(0.5)Yb_(1.5)Si_(2)O_(7)涂层与CMAS反应后产物为磷灰石相Ca_(2)(Er_(0.25)Yb_(0.75))_(8)(SiO_(4))_(6)O_(2)与Er_(0.5)Yb_(1.5)Si_(2)O_(7)相,涂层顶部残留CMAS熔盐,内部出现反应区和渗透区。

MCrAlY涂层对单晶中γ'相消耗及TCP相生成影响的模拟研究

高温下,MCrAlY涂层与高温合金单晶基材之间会发生元素互扩散,引起显微组织结构变化,往往造成单晶中具有析出强化作用的γ'相的消耗和对力学性能有害的拓扑密堆(Topological closed packed, TCP)相的生成。本研究采用扩散模拟计算的方法,设计了6种MCrAlY模型涂层,分析Co、Cr、Al主元素对DD6单晶基材显微组织的影响规律。研究结果表明,基材中γ'相消耗区在靠近涂层-基材界面处形成,该区的形成主要与Co、Cr元素内扩散相关。基材中TCP相则在更深位置的γ'相富集区内生成,γ'相富集区与Al元素内扩散有关。另外,本文着重分析了涂层成分对γ'相消耗区深度及TCP相生成含量与深度的影响。

纳米YSZ热障涂层高温时效过程中组织演变研究

燃气轮机长期运行过程中,热端部件如燃烧室内壁和前级涡轮叶片长期经受高温火焰冲击,涂层材料会产生时效行为。在时效过程中,热障涂层会发生组织演变,影响涂层性能与寿命。本文对一种高纯纳米YSZ热障涂层进行了不同温度的时效考核,研究材料在高温中组织演变行为,并对涂层孔隙率变化规律进行了热动力学分析。结果表明,在高温过程中,YSZ涂层中残留的纳米界面会进一步融合并逐渐演变为微米晶;受热动力学机制支配,涂层中孔隙闭合消损,造成涂层孔隙率下降。另外,本文还统计分析了涂层的相变行为。

低温固体氧化物燃料电池失效组织演变研究

低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFC)因具有放电功率高、性能优异而广受关注,但目前此类电池的稳定性尚待提高以满足商用需求。本文使用LT-SOFC常用的材料体系(NCAL、SDC),采用共压法制备了样品并进行了放电试验。电池失效后对其组织进行了解剖,重点分析了失效组织演变行为,探索了引起电池失效可能的机制。本研究还采用等离子喷涂方法在金属支撑体上制备了电极涂层,并应用到电池片制备中。结果表明,通过热喷涂技术制备电池涂层在一定程度上能够缓解电池由于结构失效造成的性能过早衰退现象。

选区激光熔化打印骨架结构组织研究

使用SLM SOLUTIONS公司SLM125型选区激光熔化仪器进行了镍基合金3D打印样品制备,分别制得了实心制品A和具有网络骨架结构的制品B。对两种制品表面形貌及内部组织解剖分析发现,两种制品内部基体部分均为致密冶金组织,熔覆颗粒界面处未见明显孔隙或杂质。其中制品B复杂网络骨架结构的获得充分说明了该激光熔覆技术对复杂微结构的制备成型具有独特技术优势。文章还对比分析了两种制品在无热处理状态下局部裂纹生长的原因,结果表明具有骨架结构的制品B内部无裂纹,但在骨架连接角位置容易生成铸造缺陷并诱发裂纹。文章还采用有限元模拟方法进行了熔池冷却过程中骨架结构中应力分布分析。

团聚钼粉和烧结钼粉等离子喷涂涂层的性能研究

本文通过喷雾干燥法制备了团聚钼粉,通过"喷雾干燥+烧结"的方法制备了烧结钼粉,然后对两种粉末进行了等离子喷涂实验,并对制备的涂层的形貌、粗糙度、硬度和孔隙率等进行了检测分析。结果表明,利用烧结钼粉制备的涂层的性能均优于团聚钼粉制备的涂层,其中烧结钼粉涂层的粗糙度为7μm,硬度为449.69HV和孔隙率为1.27%。

“氧化-扩散”模型在高温合金-MCrAlY涂层体系中的应用

燃气轮机中(燃烧室、涡轮)高温合金热端部件长期工作在1000℃及以上的高温环境,导致部件材料需要面对高温氧化、热腐蚀、高温载荷及力学性能的改变等实际问题。MCrAlY涂层在热端部件防护中发挥着重要作用。然而,高温合金-MCrAlY涂层体系在高温中会发生元素互扩散、组织演变等微观现象,影响着部件高温性能和使用寿命。本研究采用ThermoCalc/DICTRA软件,同时耦合了MCrAlY合金涂层表面氧化,建立了高温合金-涂层体系的“氧化-扩散”模型,成功应用于涂层成分优选与寿命预测。本研究还总结了热力学计算在高温合金/MCrAlY涂层体系中其他应用。

感应等离子球化钽粉制造研究

研究对比了两套不同功率的TEKNA感应等离子球化设备进行钽粉球化制造的情况。重点分析了送粉速率对钽粉球化效果及生产效率的影响。结果表明,钽粉送粉速率的选择与设备使用功率、粉末原料流动性等多因素相关。在保障钽粉球化效果前提下,80 kW设备对钽粉处理效率远高于15 kW。大功率设备不仅在粉末处理速度上占据优势,而且粉末球化效果及成品率也相应提升。同时还论述了钽粉球化过程中出现的气化损耗、杂质去除等机理。

铼酸铵及铼粉制备典型工艺中碳杂质去除研究

为了探索铼酸铵及铼粉中杂质元素尤其是碳元素的去除,利用扫描电子显微镜(SEM)和GDMS化学成分检测进行微观组织和材料中杂质元素含量分析。另外采用ThermoCalc热力学计算方法对碳杂质的气化行为进行了理论分析,辅助解释杂质去除机理。结果表明,铼酸铵溶液中通入臭氧可以提高铼酸铵纯度、降低碳含量。铼酸铵氢还原制备铼粉时,粉末碳含量没有发生本质变化。在等离子球化工艺中,低熔点金属杂质、碳杂质的含量均得到降低。通过最终的等离子球化除杂,铼粉纯度达到99.995%级,碳含量<0.001%。

钛合金固相渗硼-稀土渗硼机理研究

表面强化处理可以大幅提升钛合金的耐磨性,也有利于钛合金在高温环境中应用。钛合金高温固相渗硼是重要的表面强化方式,添加稀土提高渗硼效率是重要技术手段。为深入研究稀土的渗硼催化机制,本文开展了900~1050℃渗硼试验,重点分析了渗硼剂在试验后的相组成变化。结果表明,稀土可通过与硼源、氧发生化学反应,生成熔点较低的稀土硼酸盐。本文对该硼酸盐发挥的作用进行了解释,论述了稀土在渗硼反应过程中的作用。经过渗硼的钛合金表面形成了TiB/TiB2双相渗层,显微组织分析表明该渗层与基材结合紧密、无孔洞缺陷。本文还对渗硼钛合金的拉伸性能、表面摩擦系数、维氏硬度、高温洛氏硬度、结合力等基础力学性能进行了测试,结果表明,渗硼钛合金具有优良的综合力学性能。

HVOF制备MCrAlY涂层过程中WC杂质颗粒的演变遗传行为研究

在热喷涂工业生产过程中,喷涂制备不同材料体系的涂层之前需要对送粉路径(送粉罐、送粉盘、搅拌器、送粉管路、送粉针)进行清理,但由于送粉路径内部结构复杂且存在静电吸附效应,使得残留于喷涂系统的粉末无法被完全去除,通常以微量杂质颗粒的形式被带入新涂层,进而影响新涂层的性能。为此,本文研究了在单晶基材表面采用高速火焰(HVOF)喷涂制备MCrAlY涂层过程中,送粉路径残留的WC杂质颗粒(WC-10Co4Cr)在涂层及涂层与基材界面处的遗传演变行为,分别采用SEM、EDS分析了WC杂质在喷涂态、热处理态涂层中的微观组织和相组成。研究结果表明,WC杂质颗粒确实存在于MCrAlY涂层中,并在后期热处理及氧化试验中进一步分解而固溶于涂层中,甚至扩散至单晶基材内部引起含W碳化物的生成,影响涂层及单晶基材的显微组织,改变局部的成分均匀性。同时,本文还采用ThermoCalc软件进行了热力学计算模拟,辅助分析了WC分解及W与C元素在显微组织中的遗传特性。对于WC类粉末和MCrAlY粉末共用的HVOF喷涂设备,建议给MCrAlY粉末配备单独的送粉路径,以确保涂层的纯净度与质量。

等离子体技术制备纳米粉体研究现状

纳米粉体因具有较为独特的应用性能,其高效制备方法是材料领域研究的热点。等离子体技术是一种快速发展的新型纳米粉体制备技术,其热源温度可达10000 K以上,具有高热焓、高化学反应活性的优势,近年来得到了国内外研究工作者的广泛关注。本文从等离子体技术及分类、不同原料介质的等离子体纳米粉体制备、等离子体主要工艺参数对纳米粉体性能的影响等几个方面简要地介绍了等离子体技术制备纳米粉体的研究现状,阐述了等离子制备纳米粉体的重要意义和面对的挑战。