铝化与白金铝化涂层对MAR-M247镍基超合金之抗热腐蚀性质影响研究

本文研究MAR-M247镍基超合金表面经铝化涂层或白金铝化涂层处理后,其热腐蚀效应对腐蚀速率与显微组织之影响,并藉试片质量增加量的变化评估抗热腐蚀的能力.铝化涂层之主要组成为-βN iA l相,而白金铝化涂层表面的主要组成为PtA l2相,利用盐喷覆法将Na2SO4被覆在试片表面,置于热处理炉中观测其热腐蚀性.实验得知,铝化涂层和白金铝化涂层均可明显抑制MAR-M247的热腐蚀,且后者之效果更明显,此两种涂层在910℃之Na2SO4环境中的抗蚀性均较MAR-M247合金为佳.

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。

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。

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)。

IN718高温合金表面Si改性铝化物涂层1000℃的氧化行为和微观组织演变

涡轮叶片的使用温度升高将严重降低镍基高温合金IN718的力学性能,高温合金表面需要制备抗氧化涂层来抵抗高温氧化和腐蚀的危害。本文系统研究了简单和Si改性铝化物涂层在1000℃下氧化200 h的微观结构演变。由于尖晶石NiCr_(2)O_(4)相和挥发性Cr_(3)O相的形成,IN718高温合金经氧化后发生严重剥落和失效。对于简单铝化物涂层,稳定的α-Al_(2)O_(3)氧化膜显著提高了抗氧化性,在氧化100~200 h时仅增重0.1 mg/cm^(2)。Si改性铝化物涂层由于外部涂层中存在Cr_(9.1)Si_(0.9)相并具有最大晶粒尺寸,表面快速形成了稳定的SiO_(2)氧化膜,产生较好的保护作用,内部形成的Al_(2)O_(3)氧化物与涂层形成钉扎效应,有效地防止氧化膜分层。Ni_(3)Si相的形成和生长产生了微裂纹,导致在氧化100~200 h时其增重率超过简单铝化物涂层,表明有效调节硅含量对于延长涡轮叶片的使用寿命至关重要。

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。

铝化物涂层对T92钢高温力学性能的影响

在高温下长时间暴露,钢材表面的铝化物涂层与母材间容易发生元素互扩散,对母材组织产生影响,进而影响母材的力学性能。为研究超超临界机组用T92钢表面铝化物涂层的高温强度特性,采用低温粉末包埋渗铝法在T92钢锅炉管内壁制备铝化物涂层,并在室温至625℃环境中进行拉伸试验以及在625℃环境中进行持久试验,结合扫描电镜(SEM)、金相显微镜(OM)观察及X射线衍射分析,研究铝化物涂层对T92钢基体拉伸性能与持久寿命影响行为。研究结果表明:低温粉末包埋渗铝可在T92锅炉管内壁制备厚度约30.4μm的双层结构铝化物涂层,各层结构连续均匀且组织稳定,与母材呈冶金结合;在室温至625℃拉伸过程中,涂层为柱状晶结构且表面发生皴裂;625℃长时持久蠕变过程中,Fe-Al涂层裂纹数量分布多,但裂纹深度浅,极少数裂纹向基体扩展;高应力状态下大应变导致涂层发生局部剥落。铝化物涂层经长时间蠕变形变,仍与T92钢基体呈良好的冶金结合。

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。

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。

CVD法制备铝化物涂层组织结构的温度依赖效应

铝化物涂层制备技术由于非视线性沉积优势广泛应用于燃气轮机关键热端部件上,可在部件外表面以及内腔表面制备抗氧化耐腐蚀铝化物涂层。涂层的组织结构是影响其服役性能的关键,然而如何调控铝化物涂层的组织结构从而获得理想性能的涂层是目前研究的难点问题。针对这一问题,研究了关键制备参数温度对铝化物涂层组织结构的影响作用。首先,采用化学气相沉积方法(CVD)在Mar-M247镍基高温合金表面制备了不同沉积温度下的铝化物涂层。然后,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及能谱分析仪(EDS)分析了铝化物涂层的显微组织结构、物相组成以及合金元素在涂层中的分布情况。结果表明,不同沉积温度下所得到的铝化物涂层均为双层结构,外层是富含Al元素的β-NiAl层,内层为富含拓扑密排相(TCP)的互扩散层;随着沉积温度的升高,β-NiAl层与互扩散层的厚度逐渐增加,两者与温度之间具有正相关关系。本研究揭示的温度参数对铝化物涂层组织结构的作用规律可为高性能CVD法铝化物涂层的制备提供参考。

CVD法制备铝化物涂层组织结构的温度依赖效应

铝化物涂层制备技术由于非视线性沉积优势广泛应用于燃气轮机关键热端部件上,可在部件外表面以及内腔表面制备抗氧化耐腐蚀铝化物涂层。涂层的组织结构是影响其服役性能的关键,然而如何调控铝化物涂层的组织结构从而获得理想性能的涂层是目前研究的难点问题。针对这一问题,研究了关键制备参数温度对铝化物涂层组织结构的影响作用。首先,采用化学气相沉积方法(CVD)在Mar-M247镍基高温合金表面制备了不同沉积温度下的铝化物涂层。然后,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及能谱分析仪(EDS)分析了铝化物涂层的显微组织结构、物相组成以及合金元素在涂层中的分布情况。结果表明,不同沉积温度下所得到的铝化物涂层均为双层结构,外层是富含Al元素的β-NiAl层,内层为富含拓扑密排相(TCP)的互扩散层;随着沉积温度的升高,β-NiAl层与互扩散层的厚度逐渐增加,两者与温度之间具有正相关关系。本研究揭示的温度参数对铝化物涂层组织结构的作用规律可为高性能CVD法铝化物涂层的制备提供参考。

铝化物涂层在电力设备开关设计中的应用

本文从铝化物涂层、电力设备开关的防雷、渗铝涂层相和结构,以及铝化物涂层在电力设备开关设计中的具体应用四个角度出发,对铝化物涂层在电力设备开关设计中的具体应用进行阐述。

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。

镍基高温合金上Co改性铝化物涂层的组织结构与耐蚀性能

为研究Co改性铝化物涂层在室温环境中的耐蚀性,利用包埋法渗Co和气相沉积渗Al(两步法)制备出两种不同Co含量的Co改性铝化物涂层,采用XRD、SEM、EDS分析涂层的组织结构。结果表明:850℃和1 000℃渗Co涂层外层和内层均为γ-(Ni,Co)相,内层有氮化物/碳化物相析出。Co改性铝化物涂层与简单NiAl涂层结构一致,外层为β-(Co,Ni)Al相,内层为互扩散区含有大量的富Cr(W)相。简单NiAl涂层的自腐蚀电流为0.04μA/cm2,约为Co改性铝化物涂层的十分之一。这说明在涂层中添加Co降低涂层的耐蚀性,一方面因为Co的腐蚀电位(-0.28V)低于Ni的腐蚀电位(-0.25V),另一方面因为渗Co过程中产生的夹杂物与涂层电位不一致,容易成为微阴极区,加速涂层的腐蚀。

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．

低温渗铝涂层对P92钢650℃饱和蒸汽氧化行为的影响

利用低温粉末包埋渗法在P92钢服役温度下制备了铝化物涂层,并结合氧化增重法、扫描电镜观察及X射线衍射分析,研究了P92钢及其铝化物涂层在650℃下的饱和蒸汽氧化行为。结果表明:P92钢抗蒸汽氧化性能不足,350 h前氧化动力学遵循抛物线规律,外层疏松层氧化物Fe3O4+Fe2O3与内层氧化物FeCr2O4呈双层结构,氧化700 h后外层氧化膜发生严重剥落;低温包埋渗铝后,试样表面形成保护性Al2O3氧化膜,可显著提升P92钢抗蒸汽氧化性能;Al2O3氧化膜具有较慢的生长速度,因此铝化物涂层的耗损并不是继续形成Al2O3带来的消耗,而是Al向内扩散形成AlN相以及Fe向铝化物涂层扩散形成Fe3Al相,从而降低Al浓度梯度。

K465高温合金铝化物涂层Ni/Al互扩散系数计算

根据铝化物涂层形成过程中Al原子浓度分布 ,采用有限差分法反求铝化物外层Ni/Al互扩散系数 .结果表明 :相同温度下 ,铝化物外层Ni/Al互扩散系数随Al原子浓度增加而增大 ,表现出与Al浓度相关性 ;合金表面渗铝外层Ni/Al互扩散系数明显小于纯Ni表面渗铝外层Ni/Al互扩散系数 .

火电机组通流部件抗蒸汽氧化涂层技术发展与展望

长期以来,火电机组蒸汽侧的氧化皮问题是导致锅炉堵管、爆管等事故的主要安全隐患,尤其是随着先进超超临界火电技术的发展,更高蒸汽参数下火电机组面临的氧化皮问题将更加严峻。高温涂层技术为解决这一问题开辟了新的方法和思路,不仅能够满足苛刻服役环境下耐热钢对抗高温蒸汽氧化性能的需求,还可释放耐热钢因抗氧化不足而降档使用的温限,在能源系统领域中具有巨大的应用潜能。简述了欧盟、美国及国内的多个超(超)临界火电机组通流部件抗蒸汽氧化涂层技术的研发计划,重点综述了当前抗蒸汽氧化涂层设计策略及使役性能研究进展,提出了制约铝化物涂层在火电机组规模化应用的基础研究和工程应用问题,展望了高温铝化物涂层技术服役于超超临界电站锅炉复杂材质耐热钢管的应用前景。