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)。

Co-Pt改性铝化物涂层的氧化行为

[目的]铝化物涂层的抗氧化性能及高温服役性能亟待提高。[方法]采用电镀和高温气相渗铝的方法,在镍基单晶高温合金表面制备了Co改性铝化物(NiCoAl)涂层、Pt改性铝化物(NiPtAl)涂层和Co/Pt共改性铝化物(NiCoPtAl)涂层,利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)研究了3种涂层在1 100℃下恒温氧化过程中的氧化行为及组织结构演变,探究Co的添加对铝化物涂层抗氧化性能及涂层/基体界面组织结构演变的影响。[结果]恒温氧化300 h后,NiCoAl涂层表现出最差的抗氧化性能,NiCoPtAl涂层和NiPtAl涂层的抗氧化性能则更优,它们的单位面积质量依次增大了0.426 26、0.342 53和0.296 01 mg/cm^(2)。NiCoPtAl涂层试样互扩散区和二次反应区中的析出相较其他两种涂层少。[结论]适量Co的添加对铝化物涂层表面氧化层的形成有促进作用。在Co和Pt的协同作用下,铝化物涂层/单晶界面组织的稳定性更好。

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。

改性元素对镍基合金表面铝化物涂层组织和性能的影响

单一铝化物涂层存在抗高温氧化性能及抗高温热腐蚀性能不足等问题,添加改性元素可以改变铝化物涂层的组织成分,添加改性元素通过影响氧化膜的转变与脱落、铝元素和氧元素的扩散,从而影响涂层的抗氧化性以及抗热腐蚀性能,改变涂层的力学性能。梳理了近年来有关改性元素对铝化物涂层的组织结构、抗氧化性能、抗热腐蚀性能以及力学性能的影响的相关研究,展望了未来镍基合金上改性铝化物涂层的发展方向。

单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温氧化行为

采用化学气相沉积(CVD)方法在单晶高温合金基体上分别制备了单一铝化物和铂改性铝化物涂层,研究了1050℃下两种涂层在空气中的高温氧化行为。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法分析了铝化物涂层在氧化过程中相成分和显微组织的演变规律,结果表明:经1050℃氧化250h后,两种涂层的氧化动力学曲线均符合抛物线演变规律,Pt-Al涂层的抗氧化性能相对于单一Al涂层提高了2倍以上;涂层主要由β、γ'和α-Al2O3三种物相组成;随着氧化时间的延长,两种涂层表面均出现了氧化膜的脱落现象,但Pt-Al涂层表面氧化膜的脱落面积较小;涂层中相变过程的产生、γ'相贯穿整个涂层和混合氧化物层过早形成是导致铝化物涂层氧化剥落失效的主要原因。Pt元素的加入既可减缓β→γ'的相变速率,又可有效阻挡基体中难熔金属元素的外扩散行为,保证了高质量α-Al2O3保护膜的生成。

铂改性铝化物涂层的高温氧化

研究镍基高温合金的高铝与低铝活度简单涂层和铂改性渗铝涂层在 1 1 0 0℃空气中的氧化行为 .在 40 0h内 ,各涂层的氧化均遵循抛物线规律 .两种铂铝涂层显示出良好的保护性 ,经 1 0 0 0h氧化后 ,只有较小的增重和较小的抛物线速率常数 .Pt的存在 ,通过阻止合金元素穿过Al2 O3 膜向外扩散 ,形成更纯的、结合力更好的Al2 O3 膜 .并且 ,Pt的存在抑制γ′ Ni3 Al相的形成 ,推迟涂层的高温退化和高铝活度涂层中非铝氧化瘤的生长 .

铂改性铝化物涂层的应用与发展

作为重要的高温防护涂层或热障涂层的粘结层,扩散型铂改性铝化物涂层(PtAl涂层)在国外已获得批量化应用,自PtAl涂层商业化应用至今约50年时间内,PtAl涂层在制备工艺技术、微观结构和成分控制等方面得到了系统优化和发展,已形成了系列化涂层。在PtAl涂层技术方面,国内与国外尚存较大的差距,在单晶高温合金发展和燃气涡轮发动机对高性能高温防护涂层需求的驱动下,国内大力开展了PtAl及改性PtAl涂层的研制工作。在此背景下,本文对PtAl涂层的发展、应用、性能特征、Pt的作用机理和最新研究进展进行了综述,并系统介绍了PtAl涂层组织结构特征及其制备技术,最后展望了国内在PtAl涂层发展方向。

铂改性铝化物涂层的高温防护性能研究

目的研究1100℃下铂改性铝化物(Pt-Al)涂层在空气中的高温氧化行为。方法采用化学气相沉积(CVD)方法在单晶高温合金基体上制备铂改性铝化物(Pt-Al)涂层,采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法分析Pt-Al涂层在高温氧化过程中相结构、显微组织和成分的演变规律。结果经1100℃氧化250 h后,Al涂层及Pt-Al涂层的氧化动力学曲线符合抛物线演变规律,Pt-Al涂层的涂覆对基体合金的抗高温氧化性能的提高要优于Al涂层;经过150 h氧化后涂层出现了氧化膜剥落现象,同时涂层内部也出现了"地道"现象。结论 Pt-Al涂层对基体高温抗氧化性能有积极效果。

铝化物涂层的高温氧化和腐蚀机理研究进展

铝化物涂层被广泛应用于发动机热端部件(如涡轮叶片)的防护,然而在服役过程中,铝化物涂层极易发生高温氧化与热腐蚀,导致失效。针对铝化物涂层在高温环境中服役失效的问题,重点介绍了铝化物涂层的高温氧化与热腐蚀机理、影响铝化物涂层的高温氧化与热腐蚀的因素,以及包括添加Cr、Si、Pt、活性元素等改性元素和进行预氧化处理在内的提升铝化物涂层的抗氧化性与耐腐蚀性能的方法。最后,展望了铝化物涂层高温氧化与热腐蚀研究的未来。

单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温防护性能研究

采用化学气相沉积(CVD)方法在单晶高温合金基体上制备了单一铝化物和铂改性铝化物涂层,研究了两种涂层的高温氧化性能和抗燃气热腐蚀性能。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法分析了两种铝化物涂层的相成分和显微组织,结果表明:经1000℃氧化250h后,两种涂层的氧化动力学曲线均符合抛物线演变规律,Pt-Al涂层的抗氧化性能相对于单一Al涂层提高了55.5%,Pt元素的加入减缓β→γ′的相变速率,保证了高质量α-Al2O3保护膜的生成;经900℃燃气热腐蚀100h后,两种涂层的腐蚀动力学曲线均符合抛物线演变规律,Pt-Al涂层的抗燃气腐蚀性能相对于单一Al涂层提高了57.9%,Pt元素阻碍了内硫化的快速发生,保证Al2O3膜的完整性。

铂含量对改性铝化物粘结层高温氧化和内应力的影响

研究镍基高温合金的热障涂层系统中不同铂含量的改性铝化物粘结层在1100℃空气中循环氧化和非连续氧化行为及生成的氧化铝层的内应力状态。发现在不同循环氧化条件下,铂铝粘结层表面都形成连续致密的α-Al2O3层,并且α-Al2O3具有相同的形态和相似的平均厚度。而在非连续氧化初期,Al2O3层热生长应力快速增大,在氧化至100h时内应力出现峰值。同时由于高含量铂促进Al元素的扩散从而改变了涂层力学性能,造成高含量铂涂层中表现较大的内应力,但铂含量不能影响Al2O3层中内应力曲线变化趋势。另外,低铂含量涂层γ′-Ni3Al多沿β-NiAl晶界生成,而高含量铂使涂层晶粒细化,导致γ′-Ni3Al相呈弥散分布生长,从而可以形成Al元素的"网"状快速扩散通道。

钯改性铝化物涂层的工艺及组织

研究了用二氯二氨基钯为主盐电镀Ｐｄ 及ＰｄＮｉ 合金的配方及工艺条件，再通过传统固渗铝方法制备高温合金Ｍ３８ 的防护涂层．研究了镀层状态、渗铝方式、渗铝活化剂、预扩散处理等工艺条件对钯改性铝化物涂层组织的影响，经ＸＲＤ、ＥＰＭＡ及金相观察，发现该涂层为固溶Ｎｉ 的βＰｄＡｌ 或固溶Ｐｄ 的βＮｉＡｌ 单相结构，随工艺改变，涂层中Ｐｄ、Ｎｉ 含量不同．

镍基高温合金Pt/Si共改性铝化物涂层的制备及抗高温氧化性能

为研究Si元素对Pt改性铝化物涂层抗高温氧化性能的影响规律,利用电镀Pt和Al-Si共渗包埋法制备出一种Pt/Si共改性铝化物涂层,对涂层进行了1 000℃恒温氧化试验,并采用XRD、SEM、EDS分析了涂层氧化前后的组织结构。结果表明:在Pt改性铝化物涂层中添加Si元素可以降低涂层表面的孔洞,使涂层更加致密、均匀;2种涂层在1 000℃温度下氧化300 h后均有大量的β-(Ni,Pt)Al相残留,依然具备保护基体的作用;Si元素一方面可以降低涂层与基体的互扩散速率,另一方面却加剧了涂层表面氧化皮的剥落;综合看来Si对Pt改性铝化物涂层的抗高温氧化性能提高效果不明显。

简单/改性铝化物涂层的研究现状

航空发动机各部件高温结构材料在苛刻环境下服役时,会遭受严重的高温氧化和热腐蚀。在合金表面施加铝化物涂层后,高温下表面能够生成一层致密且生长缓慢的Al_(2)O_(3)氧化膜,从而隔绝腐蚀介质,以防止合金被快速氧化腐蚀。概述了铝化物涂层的优点,包括制备简单、成本低廉。重点综述了以Ni、Fe、Ti/TiAl为合金基体的铝化物涂层微观结构。涂层的微观结构主要由渗铝工艺、基材成分及后处理工艺等因素决定,渗铝工艺包括渗剂成分、渗铝温度和渗铝时间。在高温下渗铝,Al的活度较低,涂层主要以基体元素向外扩散形成外扩散型涂层为主;在低温下渗铝,Al的活度较高,涂层主要以Al向内扩散形成内扩散型涂层为主。还归纳了不同渗铝涂层在干燥空气和水蒸气环境中的高温氧化行为,阐述了水蒸气对铝化物涂层高温氧化行为的影响,比较了Ni-Al系和Fe-Al系涂层的抗高温氧化性能。同时介绍了Cr-Al、Si-Al和Pt-Al 3种改性铝化物涂层的研究进展,包括制备方法、微观结构及抗高温氧化和腐蚀性能。最后,展望并总结了高温防护涂层的发展趋势。

单晶高温合金铬改性铝化物涂层的高温氧化行为研究

采用化学气相沉积(CVD)方法在单晶高温合金基体上制备了铬改性铝化物(Cr-Al)涂层,研究了1050℃下该涂层在空气中的高温氧化行为。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等方法分析了Cr-Al涂层在高温氧化过程中相结构、显微组织和成分的演变规律,结果表明:经1050℃氧化300 h后,该涂层的氧化动力学曲线符合抛物线演变规律,Cr-Al涂层的涂覆提高了基体合金的抗高温氧化性能;高温氧化200 h内涂层保持良好的表面形貌,而经过300 h氧化后涂层出现了严重的氧化膜剥落现象;揭示了在高温氧化条件下Cr-Al涂层退化的相变过程,涂层区相结构转变过程为β-NiAl相→β-NiAl相(主)+γ′-Ni3Al相(次);扩散区相结构转变过程为β-NiAl相+析出相→β-NiAl相(主)+γ′-Ni3Al相(次)+析出相→γ′-Ni3Al相(主)+β-NiAl相(次)+析出相→γ′-Ni3Al相+析出相。

Co/Pt改性铝化物涂层热腐蚀行为探究及比较

为提高镍基单晶高温合金的抗热腐蚀性能,采用电镀/高温气相渗铝的方法,在合金基体表面分别制备了铝化物涂层、Co改性铝化物涂层和Co/Pt共改性铝化物涂层。将涂层样品置于Na_(2)SO_(4)/NaCl(质量百分比75∶25)混合盐中进行了900℃热腐蚀实验,利用XRD和SEM/EDS等方法研究了三种涂层样品的热腐蚀行为,同时还研究了Co和Pt元素对涂层抗热腐蚀性能的影响。实验结果表明:900℃热腐蚀100 h后,铝化物涂层的质量增重为4.07 g·cm^(-2),Co改性铝化物涂层质量增重为0.74 g·cm^(-2),Co/Pt共改性铝化物涂层的质量增重为5.96 g·cm^(-2);Co/Pt共改性铝化物涂层无明显剥落,氧化膜相对完整,说明其抗热腐蚀性能最好,而另两种涂层则出现明显剥落,说明二者抗热腐蚀性能均较差。Co/Pt的协同作用,促进了涂层表面保护性Al_(2)O_(3)膜的形成,提高了氧化膜的粘附性和自修复性,增大了涂层的钝化范围,降低了涂层外部的S及O等元素的向内扩散速度。

镍基高温合金上钯改性铝化物涂层的研究进展

钯改性铝化物涂层能提高铝化物涂层的抗高温氧化和耐热腐蚀性能,Pd元素的加入使NiAl相的高温稳定性更强,并能抑制部分基体合金元素向外扩散。与目前常用的铂改性铝化物涂层相比,钯改性铝化物涂层不会出现脆性相,通过工艺控制涂层中钯的浓度,涂层的力学性能不会受到钯的影响。综述了钯改性铝化物涂层的制备方法、结构、钯元素对涂层性能的影响及可能的形成机理,并展望了钯改性铝化物涂层的未来发展方向。

CVD法Pt改性铝化物涂层的制备及其热腐蚀行为研究

在镍基高温合金Inconel 718表面采用电镀的方法沉积不同厚度的Pt镀层,然后采用化学气相沉积(CVD,chemical vapor deposition)的方法,分别制备了单一铝化物涂层、β-(Ni,Pt) Al涂层和PtAl2+β-(Ni,Pt) Al双相涂层,其中单一铝化物涂层和β-(Ni,Pt) Al涂层为双层结构,外层为β相,内层为互扩散区;PtAl2+β-(Ni,Pt) Al双相涂层为3层结构,外层由β相和弥散分布的PtAl2组成,中间层为β相,内层为互扩散区。对3种涂层在900℃下95%Na2SO4+5%NaCl混合盐(质量分数)中进行热腐蚀试验,结果表明,Pt镀层为6μm的β-(Ni,Pt) Al涂层表现出较好的抗热腐蚀性能,而Pt镀层增加到12μm的PtAl2+β-(Ni,Pt) Al双相涂层的抗热腐蚀性能有所下降,主要原因是其表面皱曲程度较大引起的氧化膜剥落。Pt的加入增强了表面保护性氧化膜的黏附性,且提高了氧化膜的致密度。所制备的Pt-Al涂层对基体合金可以进行有效地防护,具有广阔的工程化应用前景。

CVD法制备钇改性铝化物涂层及其性能

为进一步提高复杂结构表面铝化物涂层的高温防护性能，采用化学气相沉积（CVD）法在镍基高温合金基体lnconel718表面制备单一铝化物涂层和钇改性铝化物涂层．研究了涂层900℃保温后不同冷却条件下冷却后的热冲击性能和l100℃抗高温氧化性能。结果表明：采用化学气相沉积法在镍基高温合金基体Inconel718表面成功制备了单一铝化物涂层和钇改性铝化物涂层，涂层都为双层结构，钇改性铝化物涂层比单一铝化物涂层厚；2种涂层在“水冷”条件下进行520次热冲击试验．单一铝化物涂层在200次热冲击后出现密集裂纹，钇改性铝化物涂层在350次热冲击后出现密集裂纹，热冲击过程中形成较大的温度梯度，产生较大的热应力导致裂纹产生；在“空冷”条件下进行l000次热冲击试验，2种涂层试样表面没有出现明显裂纹和涂层剥落；钇的加入促进铝和镍的扩散，促进了基体表面氧化铝膜的形成．钇改性铝化物涂层比单一铝化物涂层具有更好的耐高温氧化性能。

铂铝涂层高温氧化的影响因素研究

研究比较沉积热障涂层和无热障涂层的镍基高温合金铂改性铝化物涂层在900,1000和1100℃空气中高温氧化生成的氧化铝层表面形态和断面结构。发现低铂含量涂层氧化初期热生长层(TGO)表面有放射状裂纹形成和长大,造成氧化铝的局部脱落,并在TGO与铂铝涂层界面形成空洞。涂层900℃循环氧化300h后TGO内部均形成空洞。而在1100℃氧化时,TBC陶瓷层的存在改变了两种铂铝涂层TGO的内应力变化趋势,升高温度使TGO厚度迅速增大,涂层寿命迅速下降。