高温合金热障涂层的氧化和失效研究

评述了热障涂层发展的现状,研究了电子束物理气相沉积（EB-PVD）热障涂层的恒温氧化和循环氧化行为.结果表明:热障涂层1000℃氧化稳定后,基本遵循抛物线氧化规律.循环氧化过程中,微裂纹优先沿陶瓷层柱状晶界形成,并逐渐沿横向及纵向扩展.热障涂层热循环过程中产生的热应力、氧化物长大应力等引起金属氧化物（TGO）/粘结层分界面多处开裂,最终导致热障涂层失效于TGO中或TGO/粘结层的分界面.

热障涂层的研究进展与发展趋势

热障涂层一般由金属粘结层和具有低热导率的陶瓷顶层组成,应用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,提高发动机的效率。综述了热障涂层的成分选择、制备方法及等离子喷涂和电子束物理气相沉积2种热障涂层的典型结构,分析了热障涂层的剥落失效机理,并简单介绍了热障涂层的寿命预测模型和隔热特性的研究。

Cu含量对一种新型Al-Mg-Si合金晶间腐蚀的影响

采用浸泡腐蚀实验和电化学实验研究了Cu含量变化和热处理条件对一种新型舰载飞机用Al-Mg -Si合金的耐腐蚀性能的影响 .结果表明 ,添加Cu后 ,实验合金的腐蚀方式由点蚀转变为晶间腐蚀 ,且腐蚀程度随Cu含量的增加而严重 ;与欠时效和过时效状态相比 ,T6态对晶间腐蚀较敏感 ,与晶界析出相的连续分布有关 .电化学实验表明 ,所有实验合金均较快进入钝态 ;随Cu含量的增加 ,实验合金的自腐蚀电位向正向变化 ,腐蚀电流密度增加 ;随时效时间的延长 ,点蚀电位、晶间腐蚀的临界点位和自腐蚀电位逐渐向负向变化 .而点蚀电位和自腐蚀电位随时效时间呈抛物线变化 。

镍基合金中γ’相界面的强化设计

采用第一原理分子轨道离散变分Xα法,研究在镍基合金中加Ir合金化的作用,以及在镍基合金中存在B,C,N,H,O,P或S时对γ相和γ’相界面结合强度的影响.证明Ir合金化后,使γ相和γ’相的晶格错配度向负值变化,提高键重叠集居数和总键序.在镍基合金中存在的S,P,H,O,N,B或 C,对γ-Ni/γ＇-Ni2Al相界面结合力有明显影响,其中C,B和N显著增强两相的界面,相反S和P则减弱相界的结合.

大气等离子喷涂的YSZ纳米热障涂层的微观结构

采用YSZ(8％Y_2O_3-ZrO_2,质量分数)纳米粉末,经大气等离子喷涂(APS)方法制备得YSZ纳米热障涂层(TBC)。喷涂前的粉末颗粒直径为30—50nm,晶粒尺寸约12nm。对涂层的分析结果表明:YSZ纳米涂层平均晶粒尺寸在20—30nm,有个别粗晶直径达200—300nm。涂层由立方相c-ZrO_2和四方相t′-ZrO_2组成,t′相内存在畴结构。涂层内孔洞细小弥散,多呈闭合式,TEM下可见位错缠结和富层错的板条带结构。

爆炸喷涂NiCrAlY涂层的高温抗氧化行为

利用XRD,SEM和EDS检测了爆炸喷涂NiCrAlY涂层的高温氧化行为.结果表明,涂层1050℃恒温氧化动力学曲线符合抛物线规律,涂层表面生成Al203保护膜.氧化300 h,表面氧化膜基本保持完好,涂层/基体界面无开裂,基体表层出现铝与氮的化合物.与不加涂层的单晶镍基高温合金基体比较,爆炸喷涂的NiCrAlY涂层高温抗氧化能力明显增强.

一种Ni基单晶高温合金[001]方向的持久性能与断裂行为

利用SEM观察了一种Ni基单晶高温合金[001]方向持久断裂的断口、纵向剖面和变形后的组织结构.结果表明:在760-1100℃温度范围内,合金的断裂均属于韧性断裂.在低于800℃的低温高应力下,合金中的γ’相不形成筏形组织,合金的断裂特征为纯剪切型断裂,对显微疏松缺陷不敏感;随着温度的增加和应力的降低, γ’相逐渐发生定向粗化,形成筏形结构,合金的持久断裂逐渐转变为微孔聚集型断裂,气孔和疏松成为主要的裂纹源.

热处理对一种镍基单晶高温合金微观组织和持久性能的影响

研究了不同热处理工艺对一种镍基单晶高温合金的组织和持久性能的影响。结果表明:固溶处理时间越长,合金中的γ′相尺寸越均匀,有利于合金持久性能的提高。1080℃,4h和1150℃,4h时效后空冷获得的γ′相具有尺寸适合、立方度高的特点。2种时效处理对合金中温高应力的持久性能影响不明显,在高温低应力下,经1080℃时效处理的持久寿命略长。

热处理对定向镍基高温合金DZ951γ′相的影响

采用光学显微镜和SEM研究了热处理对定向镍基高温合金DZ951组织的影响。结果表明:选择合适的热处理工艺,能使铸态合金中较大的错配度减小甚至消失。固溶温度越高,γ′相的尺寸越大。在1200℃及其以上温度固溶处理时,γ′才能完全固溶于基体。固溶温度相同时,随着保温时间的延长,γ′相的尺寸增大。在1220℃固溶后进行时效处理,随着时效温度的升高,析出γ′相的尺寸增大。时效温度越高,γ′相的长大趋势越明显。合金经固溶处理和二级时效处理后,可获得两种尺寸的γ′相。

镍基高温合金真空感应熔炼脱氮与脱硫

研究了采用CaO坩埚真空感应熔炼镍基高温合金过程中脱氮与脱硫行为,发现只用CaO坩埚不能脱硫;结合坩埚壁的XRD分析结果讨论了CaO坩埚脱硫机理;加Al对脱氮有促进作用,对脱硫具有重要作用,加Ti对脱氮有明显不利影响;提高熔炼时真空度是促进脱氮的有力措施。

熔体过热处理对M963合金组织和高温持久性能的影响

对M963合金熔体进行了过热处理并在1248 K/225 MPa条件下测试了其持久性能.结果表明:随熔体过热温度的升高,铸态组织中的初生MC碳化物不断细化和均匀分布,合金的持久断裂寿命和塑性明显提高;但温度高达2023 K的熔体过热处理,使合金中的气体含量升高,导致显微疏松增加,持久性能降低.在1923 K温度下进行熔体过热处理,可使M963合金在1248 K/225 MPa条件下的持久寿命和持久塑性同时提高一倍以上.

Al、Ti和Ta含量对镍基单晶高温合金时效组织的影响

研究了几种不同含量γ′相形成和强化元素(Al、Ti和Ta)的单晶高温合金在热处理以及长期时效处理后的组织演化。结果表明:在经过相同的热处理后,随着Al、Ti和Ta总含量的增加,γ′相的尺寸逐渐增大,γ′相形貌由圆形向立方形再向不规性形状转变。在950℃的长期时效处理过程中,γ′相的尺寸明显增大,立方度降低,直到1000h,γ′相也没有发生连接和形筏。1050℃、500h后,γ′相形貌尺寸明显增大、立方度降低。合金A和E仍保持原来形状,合金B、C和D的γ′相发生连接和形筏。在2种时效条件下,合金E中均有TCP相(μ相)析出。

EB-PVD热障涂层热循环过程中粘结层的氧化和相结构

采用磁控溅射方法在镍基单晶高温合金基体卜沉积 Ｎｉ３０Ｃｒ－１２Ａｌ－０．３１Ｙ（质量分数、％）粘结层，采用电子束物理气相沉积方法（ＥＢ－ＰＶＤ）沉积 ７％Ｙ２Ｏ３（质董分数）－ＺｒＯ２陶瓷顶层 结果表明．在热循环过程中．非平衡相 ｔ’－ＺｒＯ２中的 Ｙ２Ｏ３含量逐渐减少，ｔ’－ＺｒＯ２相逐渐分解成平衡相 ｔ－ＺｒＯ２（冷却时会转变成单斜相）和立方相 ＺｒＯ２１０５０Ｃ循环 ２００次，粘结层氧化物（Ａｌ２Ｏ３）厚度约为３ｕｍ，表明ＮｉＣｒ－Ａｌ－Ｙ适宜作粘结层 继续热循环，陶瓷层中出现单斜相，粘结层中Ａｌ贫化，氧化层中出现ＮｉＯ 及尖晶石等，引起应力集中．导致涂层失效．

NiCrAlY涂层/Ni基单晶高温合金的元素扩散及界面特性

采用磁控溅射方法在Ni基单晶高温合金上沉积NiCrAlY涂层,研究了真空热处理及高温氧化过程中,NiCrAlY涂层/Ni基单晶合金界面显微结构的变化及元素扩散行为。结果表明,原始涂层成分分布比较均匀,各元素分布在涂层/基体界面呈陡然变化。真空热处理时,涂层与基体间发生互扩散,NiCrAlY涂层的显微结构和相结构发生变化:涂层/基体界面区出现互扩散层(内、外扩散层);出现g-Ni3Al 和a-Cr两新相,导致涂层局部区域富Cr。1 000℃氧化200h后,涂层/基体界面区的互扩散层增厚,并且在其下的基体中出现扩散影响层。Ta在涂层中扩散时,置换了部分g-Ni3Al相中的Al,导致g相的晶格常数a0增大。

一种铸造镍基高温合金的凝固行为

M963合金的凝固顺序为: L→L+γ→L+(γ＇+MC)+γ→(γ+γ＇)+(γ+MC)+γ→(γ+γ＇)+(γ+MC)+γ+γ＇;凝固组织呈树枝状结构,由γ固溶体基体、γ＇析出相及分布在枝晶间区的骨架状MC碳化物和(γ+γ＇)共晶组成;碳降低合金的液相线温度和(γ+γ＇)共晶温度,提高MC碳化物的形成温度,增加MC碳化物的体积分数,降低(γ+γ＇)共晶的体积分数;高熔点元素W和Co在枝晶干偏聚, Al,Ti,Nb,Cr和Mo在枝晶间偏聚.

抽拉速率对一种镍基单晶高温合金凝固参数和凝固组织的影响

研究了不同的铸型抽拉速率对镍基单晶高温合金 DD98的凝固参数及显微组织的影响。结果表明 ,随着抽拉速率降低 ,固 -液界面前沿的温度梯度显著提高 ,糊状区宽度减小。抽拉速率较低时 ,温度梯度在整个凝固过程中变化比较平稳。提高抽拉速率使 DD98合金由胞状凝固转变为枝状凝固 ,γ′相尺寸减小 ,并且由不规则形状逐渐变为规则的立方体形状 ,γ/γ′共晶量增加 ,共晶中的初生

真空热处理对镍基单晶高温合金溅射NiCrAlY涂层抗氧化性能的影响

用磁控溅射法在镍基单晶高温合金基体上沉积NiCrAlY涂层 ,研究了真空热处理对涂层组织结构及抗氧化性能的影响 .结果表明 ,溅射NiCrAlY涂层主要由γ -Ni和 β -NiAl两相组成 ,元素分布均匀 ;经真空热处理后 ,涂层主要由γ′-Ni3 Al、β -NiAl相和极少量的α-Al2 O3 相组成 ,元素分布变得不均匀 ,最外层富Al贫Cr .真空热处理可使溅射NiCrAlY涂层表面较早生成保护性能良好的α -Al2 O3 .10 0 0℃氧化 2 0 0h ,溅射涂层氧化膜有较大部分已经剥落 ,但真空热处理涂层的氧化膜仍较好地粘附在涂层基体上 .真空热处理使溅射NiCrAlY涂层表面生成的氧化膜粘附性更好 。

一种热障涂层的形貌和相结构特征研究

研究了一种热障涂层的形貌和相结构组成。溅射NiCrAlY粘结层由γ-N_1相和β-NiAl相组成,是柱状结构,其晶粒度小,属于微晶,有利于形成α-Al_2O_3膜。溅射NiCrAlY粘结层经真空处理后,发生γ和γ′的转变,以及β-NiAl和脱溶。EB-PVD TBC具有开放性的柱状结构,并且存在大量的t′-ZrO_2相,使涂层性能大大优化。

镍基单晶高温合金TLP连接

采用自制的镍基合金柔性布作为中间层合金对ＤＤ９８单晶高温合金进行瞬态液相（ＴＬＰ）连接，ＴＬＰ连接在１４７３—１５２３Ｋ，０．５－２４ｈ真空条件下进行．利用光学显微镜、扫描电镜时接头的微观结构和化学成分进行观察和分析，利用电子背散衍射测定了连接层和基体之间的结晶学取向．结果表明接头区域由连接区、中间金属／基体金属界面扩散区、基体金属区组成，均匀化处理后的接头与基体上的γ＇沉淀相的尺寸趋于一致，连接层与基体之间的取向匹配良好．

长期时效对DZ951合金γ′相的影响

研究了定向凝固DZ951镍基高温合金在长期时效过程中的组织演化。结果表明:随着时效温度和时间的增加,γ′粗化形筏。形筏时间随时效温度的升高而减少。形筏驱动力为弹性应变能和界面能的降低。γ′长大受元素扩散控制,长大遵循LSW理论,长大激活能为294kJ/mol左右。由于DZ951合金γ′相中含有较多的高熔点元素W,Mo和Nb等,从而提高γ′相的稳定性,增加γ′长大激活能。合金在长期时效过程中未出现拓扑密排相(Topological Close-PackedPhase,TCP Phase)等有害相,表明DZ951合金具有较好的组织稳定性。