电弧离子镀Al扩散障结构及抗高温氧化性能研究

采用电弧离子镀技术(AIP)在HY3(NiCrAlYSi)涂层与镍基高温合金(K5合金)之间沉积一层Al薄膜经过马弗炉870℃加热1h形成Al2O3作为扩散障层,研究了Al2O3对HY3(NiCrAlYSi)涂层与基体的元素互扩散的阻碍作用和对涂层氧化动力曲线的影响。对于添加扩散障层前后的试样,进行循环抗氧化试验来评价其抗高温氧化性能,并用扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样微观形貌和成分,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构。试验结果表明:Al2O3有效阻止基体与涂层之间的元素互扩散,提高了HY3(NiCrAlYSi)涂层和K5合金的抗高温氧化性能。

电弧离子镀TiC扩散障结构及抗高温氧化性能研究

采用电弧离子镀技术(AIP)在NiCrAlY涂层与镍基高温合金(DD3合金)之间沉积TiC薄膜作为扩散障层,研究了TiC对NiCrAlY涂层与基体的元素互扩散的阻碍作用和对涂层氧化动力曲线的影响。对于添加扩散障层前后的试样,进行循环抗氧化试验来评价其抗高温氧化性能,并用扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样微观形貌和成分,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构。试验结果表明:TiC有效阻滞DD3基体与涂层之间的元素互扩散,提高了NiCrAlY涂层和DD3合金的抗高温氧化性能。

ScSZ基致密扩散障型氧传感器的研究

实验采用具有高电导率的ScSZ基电解质材料和La0.8Sr0.2MnO3混合导体材料,利用Pt浆粘结,制成了新型的混合导体极限电流氧传感器。实验测试了其在温度993K氧浓度8100×10-6～22.43×10-2范围内的电流-电压曲线,数据表明该传感器在上述氧浓度范围内具有较好的测氧特性,且极限电流与氧浓度存在良好的线性关系;同时测试了其在不同氧浓度下的响应时间特性,结果显示传感器重复性好,响应时间较快。

基于LSCM/3YSZ致密扩散障型极限电流氧传感的研究

采用固相法制备了LSCM(La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3)粉体。按不同质量比将其与3%-mol氧化钇稳定氧化锆粉体(3YSZ)混合,制备得到系列混合导体。根据热膨张系数、微观形貌等物理特性,选取合适比例的混合导体。采用Pt浆粘合法将其与8YSZ固体电解质叠层制作成致密扩散障型极限电流氧传感器。经测试,使用LSCM质量比分别为60%和70%的混合导体作为致密扩散障时,对应的氧传感器在973 K氧浓度分别为6 000×10-6～2.28%和1.22%～8.01%范围内具有良好的测氧特性,并且极限电流与氧浓度之间存在良好的线性关系;其在不同氧浓度下的响应时间曲线显示传感器重复性好,响应时间约数十秒。

氧化锆基NO_x传感器扩散障研究

以Al2O3为主要原料,添加适量ZrO2和储氧剂,以超细炭粉作造孔剂,制备氧化锆基NOx传感器的多孔扩散障,对其附着状态、孔隙率、形貌和测试信号等进行分析。结果表明,随着扩散障造孔剂含量的增加,扩散障与基体附着下降,孔隙率增加;造孔剂含量为15%时,扩散障与基体附着良好,孔隙分布均匀,其传感器的测量泵对NO呈现出良好的极限电流趋势,测试灵敏度和精度高。

致密扩散障型氧传感器扩散机理的研究

为研究致密扩散障型氧传感器的扩散机理,采用ScSZ基电解质和La0.8Sr0.2MnO3(LSM)混合导体材料,利用Pt浆粘结法,制备了致密扩散障型极限电流氧传感器,并分别测试了其在(O2)为0.81%～22.43%及温度873～1023K时的电流-电压曲线。通过实验分析,极限电流IL与?(O2)的关系更符合Knudsen扩散模型,建立在固体离子扩散方式下的理论,可对IL与温度T之间呈现出来的规律进行合理的解释。

热处理气氛对ZrO_2活性扩散障/NiCrAl涂层界面反应的影响

为研究ZrO2活性扩散障的形成机制,采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在DD5镍基高温合金表面分别沉积ZrO2先驱层与NiCrAl涂层,分别在真空条件和大气条件下对试样进行温度为700,800及900℃,时间为5h的高温热处理。分析了试样的截面形貌、扩散反应区厚度以及ZrO2/NiCrAl涂层界面处的元素分布,并研究了热处理气氛对ZrO2/NiCrAl涂层界面反应的影响。结果表明:真空条件更有益于界面反应的进行,并发现经过900℃热处理5h后,ZrO2活性扩散障/NiCrAl涂层界面之间形成了致密的Al2O3阻挡层;而在大气气氛下,NiCrAl涂层中部分Al元素向表面扩散形成氧化膜,从而影响了ZrO2/NiCrAl涂层的界面反应。

YSZ活性扩散障结构应力的有限元分析

利用有限元分析法建立了镍基合金基体/Al2O3/Zr/Al2O3/NiCrAlY粘结层模型,模拟计算了温度快速变化时扩散障的应力集中区域及应力水平,分析了扩散障的厚度及界面形貌对扩散障结构应力的影响。结果表明:在温度急剧变化过程中,扩散障内应力水平较高的区域主要出现在Al2O3层,特别是在Al2O3层中段、非平整界面的尖点、拐点处以及曲面的凹凸不平处;扩散障内应力值随Al2O3层和Zr层的增大而减小,且Al2O3层厚度变化对应力的影响比Zr层厚度变化的影响大;非平整界面最大等效应力比平整界面高约1 000 MPa。

镍基合金/NiCrAlY粘结层界面活性扩散障的研究

采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在Rene N5镍基高温合金表面分别制备出N5/NiCrAlY和N5/ZrO_2/NiCrAlY两种涂层体系试样,并对其进行1000℃/5 h和1000℃/350 h高温氧化处理。利用SEM、EDS、XRD等分析方法对比研究了高温环境中镍基合金基体与NiCrAlY粘结层界面的演变行为以及ZrO_2活性扩散障对界面演变的控制作用。结果表明,N5/NiCrAlY体系涂层在高温环境中由于各元素浓度的差异会发生元素互扩散行为,导致在基体/NiCrAlY涂层界面处形成柯肯达尔孔洞,二次反应区及TCP相;而对于N5/ZrO_2/NiCrAlY涂层体系而言,在高温环境中,其ZrO_2活性扩散障将演变为Al_2O_3/Zr-rich/Al_2O_3三层结构,该结构能够有效抑制基体与粘结层之间的元素互扩散行为,阻止二次反应区及TCP相的出现,并且该结构具有良好的高温稳定性能。

金属-氧化物扩散障的理论计算

本文在Luthra模型基础上考虑到氧化物的加入对元素通过短路通道的扩散没有阻碍作用,建立了金属-氧化物扩散障的修正模型。计算结果与实验规律吻合。

金属-氧化物扩散障对涂层和基体间元素互扩散的阻碍作用

本文研究了低压等离子喷涂的Ni_3Al-Y_2O_3扩散障层对外层涂层与基体间元素互扩散的阻碍作用,发现阻碍扩散的作用与扩散障层中氧化物含量有关。当Y_2O_3含量为8wt-%时,扩散障对元素互扩散没有明显的阻碍作用;当Y_2O_3含量为30wt%时,对Al,Co和Cr等元素的扩散有明显的阻碍作用。并且,阻碍作用随元素不同而不同。

Re扩散障厚度对铂改性铝化物涂层1200℃氧化行为影响

铂改性铝化物(PtAl)涂层具有良好的抗高温氧化和抗热腐蚀综合性能,被广泛用于单晶航空发动机高温合金叶片的高温防护。添加扩散障可阻止高温合金中难熔元素(W,Mo)向外扩散,提高涂层/基体结构稳定性,以及PtAl涂层抗氧化和高温力学性能。为探究Re扩散障厚度对PtAl涂层性能的影响,采用电镀与高温低活性渗铝技术,在Ni3Al基单晶高温合金表面制备了无Re扩散障和3种不同厚度Re扩散障的PtAl涂层,开展了1200℃恒温氧化实验,对比分析了PtAl涂层的抗高温氧化性能。利用场发射-扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪,对涂层微观组织结构和成分进行了详细表征,对其氧化行为及失效机制进行了深入探讨。研究表明,未添加Re扩散障的制备态PtAl涂层呈现双层结构,包括外层和互扩散区。添加Re扩散障后,PtAl涂层转变为3层结构,包括外层、扩散障层和互扩散区。添加了Re扩散障的PtAl涂层,经1200℃氧化后涂层表面呈现出更少的剥落面积,氧化膜相对致密完整,表明Re扩散障的添加可以显著提升PtAl涂层的抗高温氧化性能。随着Re扩散障厚度的增加,涂层的氧化增重进一步降低;然而,当Re扩散障厚度超过一定程度后,涂层抗氧化性能的提升并不明显。其原因是过厚的电镀Ni-Re层在氧化过程中导致了Re扩散障致密度和连续性的下降,降低了扩散障对Al元素的阻扩散效果。本研究深入揭示了Re扩散障厚度对PtAl涂层抗氧化性能的影响机理,为含Re扩散障的PtAl涂层的设计提供了重要理论基础。

O含量对(FeCoCrNiAlRe)O_(x)高熵氧化物扩散障性能的影响

用磁控溅射在单晶硅基底上沉积了(FeCoCrNiAlRe)O_(x)高熵氧化物陶瓷类薄膜,并探究不同O含量对在700℃退火温度下对Cu-Si互扩散的阻挡能力。采用SEM扫描电镜、EDS能谱仪、XRD衍射仪对薄膜进行表征。结果表明:(FeCoCrNiAlRe)O_(x)高熵氧化物薄膜质地较为致密,元素分布均匀,不同氧含量下制备的高熵氧化物薄膜均为非晶结构,且对Cu-Si的扩散有较好的阻扩散能力。

抑制镍基/热障涂层粘结层元素互扩散的研究进展

航空发动机Ni基高温合金涡扇叶片在高温环境服役时,镍基合金基体将与热障涂层粘结层发生元素互扩散。系统论述了元素互扩散行为对镍基合金基体和热障涂层显微结构及性能的影响,分析了添加扩散障和改性粘结层的阻扩散机制,介绍了2种阻扩散方法的研究进展,总结了其优势及存在的问题,指出了元素阻扩散方法的研究发展方向。

热障涂层与镍基高温合金界面的互扩散行为

综述了热障涂层(TBC)系统的3界面,即陶瓷层/热生长氧化膜(TGO)界面、TGO/粘结层界面及粘结层/基体界面,在高温服役条件下氧化和互扩散行为的研究现状;分析、讨论了控制界面反应和互扩散的3种方法,包括添加Pt/Hf等合金元素、施加界面扩散障及开发新粘结层。指出:粘结层的性能优劣是控制TGO防护性及界面互扩散从而延长TBC使用寿命的关键,而在多种改善TBC界面互扩散方法中,尤以美国和日本科学家研发的连续拓扑密堆积(TCP)型σ相扩散障(如Re-NiI、r-Ta及Ni-Hf等)的性能最优;同时指出采用含Pt-Hf的γ-γ′相合金、或与基体同成分的纳米晶涂层作为新粘结层来控制界面互扩散也有望获得进一步发展。

一种可内生Al_2O_3扩散障的δ-Ni_2Al_3-Cr_2O_3/Ni-Cr_2O_3涂层体系

通过对Ni-Cr2O3复合镀层620℃部分渗铝制备了δ-Ni2Al3-Cr2O3/Ni-Cr2O3涂层体系。Cr2O3颗粒在渗铝的过程中和Al反应生成更为稳定的Al2O3。1000℃恒温氧化20 h后发现,铝化物涂层和复合镀层内掺杂的Cr2O3颗粒完全转化为Al2O3,并在铝化物涂层/Ni镀层界面自发形成了一层Al2O3富集层,该富集层起扩散障作用,阻碍铝化物涂层因互扩散所致的退化。

热震作用下YSZ活性扩散障的非线性有限元分析

采用有限元法研究,经历多次热震后,Ni Cr Al Y涂层/YSZ扩散障/RenéN5基体内应力分布及演变和波峰值对应力的影响。研究发现,75次热震后模型外边缘附近及氧化铝层中存在较高的剪切应力和拉应力,裂纹会在该处萌生及扩展。各处的应力值随热震次数的增加均有所增大;随波峰峰值的增加,氧化铝层内的应力值变化最大,其中当波峰峰值(A)为3μm时,扩散障结构较优。

ZrO_2(ZrB_2)活性扩散障界面演变行为的研究（英文）

采用电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)技术在镍基单晶合金Rene N5基体上制备出N5/(ZrB_2+ZrO_2)/Ni Cr Al和N5/ZrO2/NiCrAl两组试样。然后,同时对其进行900℃/5 h恒温氧化和1000℃/250 h、1000℃/300 h及1000℃/350 h循环氧化,并采用SEM、EDS分析方法研究了界面演变行为及退化失效行为,结果表明,Zr B2的加入对活性扩散障界面反应的生成速率有一定的延缓,但不影响具有阻扩散功能的Al2O3扩散障层的最终形成;并且,Zr B2的加入提高了活性扩散障结构的服役寿命,改变了活性扩散障结构的失效方式。

渗 Al 处理对低压等离子喷涂金属—氧化物扩散障作用的影响

本文研究了渗 Al 处理对低压等离子喷涂金属-氧化物扩散障作用的影响。发现短时间渗Al 处理,能提高扩散障对涂层与基体之间元素互扩散的阻碍作用。延长渗 Al 时间,扩散障中弥散细小的 Y_2O_3颗粒聚集成较大颗粒,并在扩散障与外涂层的交界上高度聚集,对涂层与基体的结合性能产生不利的影响。

基于LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3–δ)致密扩散障型极限电流氧传感器的制备及性能

采用溶胶–凝胶法制备LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3–δ)(LNF)和Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(1.95)(GDC)粉体,用X射线衍射仪对LNF粉体进行表征,利用扫描电子显微镜对LNF和GDC陶瓷片的断面形貌进行分析。以LNF为致密扩散障、GDC为固体电解质,用Pt浆黏合法制备致密扩散障型极限电流氧传感器,研究了氧含量和温度对氧传感器氧敏性能的影响。结果表明:LNF形成钙钛矿结构,LNF和GDC陶瓷片都烧结致密,无明显气孔;氧传感器在740~820℃温度范围内低氧含量(0.3%~1.1%)中显示出良好的极限电流平台;氧传感器响应时间和恢复时间较短,分别约为18和23 s,并且极限电流值与氧浓度φ(O_2)和温度(T^(–0.5))之间存在较好的线性关系。