钽钨合金表面高温氧化防护涂层的研究进展

钽钨合金作为重要的高温结构材料和先进功能材料,在航空航天、国防装备、化学工业等众多涉及国计民生的关键领域都扮演着不可或缺的重要角色。随着工程装置服役工况的日益严苛,钽钨合金高温耐氧化性差的缺点进一步凸显,严重制约了其工程化应用。表面防护涂层作为减少基体失效行为、提高材料综合性能和延长装置服役寿命的有效手段,被越来越多地应用于材料防护领域,并且其后续发展前景也十分广阔。首先介绍了钽钨合金的基本性能,随后分别总结归纳了硅化物涂层、贵金属涂层、陶瓷涂层、复合涂层在延长钽钨合金基体高温氧化环境下服役寿命的研究进展,最后对钽钨合金表面抗高温氧化防护涂层的未来发展方向进行了展望。

磷酸盐涂层对Ti65合金抗高温氧化性能的影响研究

本文通过在Ti65钛合金表面制备Al/AlPO_(4)和Al+AlPO_(4)/SiC+AlPO_(4)两种磷酸盐涂层改善钛合金的抗高温氧化性能。通过对比研究Ti65钛合金和两种涂层样品高温氧化行为,结合SEM/EDS对涂层氧化前后组织形貌、微区成分等表征分析以及显微硬度测试,分析氧化对Ti65及涂层样品氧扩散深度的影响。650℃准等温氧化实验表明,两种磷酸盐涂层准等温氧化动力学曲线均符合抛物线规律,Ti65合金氧化增重为1.04 mg/cm^(2),Al/AlPO_(4)氧化增重为0.36 mg/cm^(2),Al+AlPO_(4)/SiC+AlPO_(4)氧化增重为0.25 mg/cm^(2),氧化增重显著降低,且Al/AlPO_(4)+SiC/AlPO_(4)复合涂层的抗高温氧化性能最好。涂层与基体之间由机械结合变成冶金结合,改善了高温钛合金的抗氧化性,防止高温钛合金基体氧化造成的硬度升高现象。磷酸盐涂层明显改善了Ti65合金的抗高温氧化性能。

高性能涂层刀具切削GH4169高温合金的切削性能研究

针对难加工材料GH4169镍基高温合金切削问题,制备了TiAlN/TiAlSiN复合涂层切削刀具,主要研究了不同偏压下TiAlN/TiAlSiN复合涂层刀具的涂层显微组织、力学性能以及切削GH4169镍基高温合金时的切削性能。结果表明:偏压和涂层厚度增加,涂层柱状晶趋势明显,表面孔隙减少,涂层致密性提高;偏压增加,复合涂层与基体结合力增加,并且在偏压为-100V时,结合力达到最大值74.3N。涂层的硬度和弹性模量也随着偏压的增加而增大;切削GH4169高温合金时,涂层刀具的切削磨损量明显小于未涂层刀具,且随着偏压的增加,涂层刀具的寿命得到提高;当偏压为-100V时,切削寿命最高,这归因于切削过程中Ni, Cr, Al等元素氧化并在表面形成一层致密且具有一定润滑特性的保护膜。

GH907高温合金表面电弧离子镀NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层的高温抗氧化性能研究

为提高GH907高温合金在750℃下高温抗氧化性能。在GH907合金表面采用电弧离子镀技术(AIP)制备NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层。系统开展复合涂层的高温抗氧化行为和机理研究,利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析氧化过程中物相的结构特征、氧化产物成分及表/截面形貌特征。结果试验表明,750℃氧化500 h后,GH907高温合金氧化层(FeO,Fe_(2)O_(3))萌生大量裂纹,氧化层发生大面积剥落。基体呈迅速氧化增重趋势,500 h质量增重值为22.38 mg/cm^(2)。相比之下,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层在氧化实验中,由于形成连续且致密的Al2O3屏障层,有效抑制氧气内扩散,延缓GH907高温合金发生氧化反应的影响。氧化80 h质量增重为6.37 mg/cm^(2),随后质量增重率趋于稳定,500 h复合涂层质量增重值仅有7.68 mg/cm^(2)。结论由此表明,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层可以显著提高GH907高温合金高温抗氧化性能。

难熔金属表面高温防护涂层抗热震性能研究现状

难熔金属及其合金具有高温强度优异、加工塑性好、耐腐蚀性好等优点,在航空、航天和核工业领域中得到了广泛应用,是一种重要的高温结构材料。但难熔金属及其合金因其自身易氧化的缺点,导致材料在未达到服役温度时就发生严重氧化,从而快速失效。目前,高性能高温防护涂层是保障难熔合金服役性能的关键,然而难熔金属及其合金表面高温防护涂层的实际服役工况非常苛刻,往往伴随着强热震,是导致涂层失效的重要原因。因此,难熔金属表面高温防护涂层在具备优异恒温抗氧化性能的前提下,还需具备良好的抗热震性能。综述了难熔金属表面高温防护涂层的热震失效机制,讨论了影响涂层抗热震性能的关键参数;阐述了难熔金属表面硅化物、金属和复合涂层3类主要涂层体系抗热震性能的研究现状,重点回顾了优化涂层结构、添加陶瓷颗粒以及设计复合涂层等提高涂层抗热震性能的方法及其改善效果;最后,从降低涂层与基体间的热膨胀系数失配度、改善基体/涂层界面结合性能以及设计复合梯度涂层3个方面展望了未来难熔金属高温防护涂层的发展方向。

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。

综述高温涂层对合金持久性能的影响

[目的]高温涂层技术是目前各类高温部件合金长效服役必须的手段。然而,高温涂层制备对合金原始力学性能的影响,以及涂层消耗、退化和耐蚀元素扩散对合金寿命的影响尚无统一结论。[方法]综述了三代高温涂层即扩散涂层、包覆涂层和热障涂层的制备对基体合金组织结构和性能的影响,重点讨论了铝化物涂层对合金持久性能的强化机制和恶化机制;在此基础上,总结了铝化物涂层在高温、长时电站锅炉服役环境下的持久强度。[结果]影响高温涂层的主要机制有涂层表面强化层的形成、元素互扩散,以及有效承载截面面积的变化。[结论]目前有关高温涂层技术的研究仍存在一些不足,服役退化问题的解决、相关机理的深入探讨、大型部件上的涂层制备、工艺方法的改进等方面是未来的研究方向。

热障涂层与单晶高温合金互扩散控制方法研究进展

目前,二代及更高级单晶涡轮叶片的表面服役温度已达到1050℃以上,因此涂层与基体间的元素互扩散十分严重。互扩散不仅会消耗涂层中的有益元素,降低涂层服役寿命,而且会在单晶基体中形成二次反应区,严重损害单晶基体的力学性能。扩散障和低互扩散性涂层是控制热障涂层与单晶基体间元素互扩散的有效方法。结合国内外最新研究进展,本文首先对扩散障的设计原理、基本特性以及分类作简要介绍,并具体分析了金属扩散障、陶瓷扩散障和活性扩散障存在的主要问题以及针对这些问题开展的相关研究工作;其次,对低互扩散性涂层在热障涂层领域中的应用与最新发展动态进行综述,详细讨论了纳米晶涂层、相平衡涂层和γ′基涂层的高温防护性能和阻扩散机制。在此基础上,指出了扩散障和低互扩散性涂层的未来发展方向。

超声辅助激光熔覆IN 625高温合金涂层组织及性能研究

目的针对激光熔覆制备IN 625高温合金涂层时易产生缺陷和元素偏析进而导致合金性能下降的问题,提高增材制造IN 625高温合金的力学性能。方法在激光熔覆IN 625涂层的过程中施加超声振动辅助,通过物相检测和微观组织观测研究超声功率对涂层物相种类和晶体尺寸的影响;通过分析析出相含量、分布方式及析出形态,研究超声功率对元素偏析的影响;通过对显微硬度、高温耐磨性进行测试,研究超声功率对涂层力学性能的影响。结果施加超声前的涂层组织主要为方向杂乱的粗大枝晶,施加超声后的涂层物相组成未发生明显变化,但枝晶内亚晶排列紧密且尺寸明显减小;施加超声振动后的涂层析出相尺寸减小、含量下降,其中Laves相含量在施加超声后降幅较大,表明超声振动可以抑制Nb、Mo等元素的偏析;施加超声振动后涂层的显微硬度提高,磨损率明显下降,磨损机制由原来的表面疲劳磨损、黏着磨损和磨粒磨损的复杂磨损转变为磨粒磨损、黏着磨损的简单磨损。结论施加超声辅助可以有效细化IN 625涂层组织,并抑制Laves相的析出,提高涂层的硬度和耐磨性。

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。

锆合金表面高温抗氧化涂层的研究进展

锆合金因其热中子吸收截面小、热膨胀系数低,以及与UO2良好的相容性而成为当前核反应堆中主要的构件材料。然而,在高温蒸汽氧化环境中,锆合金会快速氧化失效,并产生大量氢气,从而引发氢爆炸。为了提高核反应堆的安全性,对锆合金表面进行强化形成高温抗氧化防护涂层,是解决这一难题的有效途径。本文介绍了锆合金表面高温氧化行为,重点综述了高温抗氧化涂层(包括金属涂层、陶瓷涂层以及复合涂层)的氧化行为和失效机理,对比分析了不同锆合金表面涂层高温氧化性能。另外,还对锆合金表面高温抗氧化涂层的多元素成分设计、制备方法和梯度结构设计的发展方向进行了展望。

激光熔覆NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的高温氧化行为

难熔高熵合金涂层是近年来高熵合金领域的研究热点,有望成为未来重要的高温结构和功能材料。本工作采用激光熔覆技术制备了NbMoTaWV难熔高熵合金涂层,研究了其在800℃下的高温氧化行为,重点分析了不同氧化时间(10、20、30、50、100 h)的NbMoTaWV难熔高熵合金涂层组织结构演变、显微硬度变化及界面元素扩散行为。实验结果表明:NbMoTaWV难熔高熵合金涂层主要由Fe_(7)Ta_(3)型HCP固溶体相、(Fe, Ni)基体相及未熔高熵合金粉末相组成,而经不同时间氧化处理后,涂层表面生成了以Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4)为主的氧化物相。800℃高温氧化处理后,NbMoTaWV高熵合金涂层内部组织结构变化不大,仅部分氧元素扩散进入到涂层内部。高温氧化导致NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的显微硬度有所提升,但随着氧化时间的延长,NbMoTaWV难熔高熵合金涂层的显微硬度呈现出先增加后降低的趋势,且当氧化时间为20 h时,其显微硬度达到最大,这与高温扩散所导致的固溶强化有关。同时,TG-DSC证实了NbMoTaWV难熔高熵合金涂层在800℃具有优异的高温稳定性。

涂层厚度对Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机制的影响

目的研究涂层厚度对Cr涂层锆包壳高温蒸汽氧化行为的影响规律及其微观机制,为耐事故锆包壳表面涂层优化设计提供理论依据。方法以锆合金包壳为基体材料,采用磁控溅射工艺制备纯金属Cr涂层,目标厚度设计值为10、15、20μm 3类。采用高温蒸汽氧化设备开展试验,氧化温度为1200℃,等温氧化时间为500~3000 s,系统研究模拟反应堆失水事故(LOCA)工况下涂层厚度对该材料体系高温蒸汽氧化行为及氧化动力学的影响。试验后,通过X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜及能谱仪等表征各样品氧化膜微结构特征、氧化层厚度、元素分布及物相组成等,基于氧化膜层厚度构建Cr涂层氧化动力学模型,同步探讨涂层原始厚度对其高温蒸汽氧化-失效微观机理的影响。结果涂层厚度为10μm时,其对锆合金基体保护作用有限,等温氧化2000 s时其表面Cr_(2)O_(3)氧化膜和残余Cr涂层已完全丧失保护功能,锆合金基体被连续氧化。涂层厚度为15μm时,第一阶段,生成保护性能较好的Cr_(2)O_(3)氧化膜,Cr涂层的氧化行为满足抛物线规律;第二阶段,Cr涂层的氧化行为发生转变,氧化膜及其残余涂层保护性能衰退,但锆合金基体始终未被氧化。涂层厚度为20μm时,Cr涂层的氧化行为满足抛物线规律,但氧化行为未发生转变,表面氧化膜及残余Cr涂层保护性能较好。结论Cr涂层厚度增加可在一定程度上提升其抗高温蒸汽氧化性能,进而提高反应堆事故工况下燃料包壳抵御事故的能力,从而在一定程度上延长不干预时间。

TC4合金表面Zr-Y改性渗硅涂层的组织结构及高温摩擦磨损性能

采用固体粉末扩散渗方法在TC4合金表面制备了Zr-Y改性的渗硅涂层,研究了渗层的组织结构、高温摩擦磨损性能及磨损机制。结果表明:Zr-Y改性渗硅涂层具有多层梯度结构,外层由TiSi_(2)和少量ZrSi_(2)组成,较薄的中间层为TiSi相,内层为Ti_(5)Si_(4)和Ti_(5)Si_(3)的混合物。涂层的显微硬度明显高于TC4合金基体,且由表及内呈梯度降低趋势。高温摩擦磨损实验(600℃)结果表明,Zr-Y改性渗硅涂层具有优良的摩擦磨损防护性能。与GCr15对磨时的磨损率约为3.59×10^(-5)mm^(3)/(N·m),是相同条件下TC4合金磨损率的36.6%,磨损机制主要为GCr15在涂层表面的擦涂和氧化磨损。与Al2O3球对磨时的磨损率为9.75×10^(-5)mm^(3)/(N·m),是相同条件下TC4合金磨损率的18.9%,磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和黏着磨损。

γ-TiAl基合金用Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)复合涂层抗高温氧化性能研究

目的通过表面涂层提高γ-TiAl基合金的抗高温氧化性能。方法采用常规喷涂涂料法在γ-TiAl合金基体上制备Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)磷酸盐复合抗高温氧化涂层。研究γ-TiAl合金和涂层样品在900℃、静态空气条件下的准等温氧化动力学行为。用XRD和SEM/EDS分别对涂层样品氧化前后的物相组成、组织形貌和微区成分进行表征分析;用电子探针(EPMA)分析涂层样品的元素分布情况。结果900℃恒温氧化动力学研究结果表明,γ-TiAl基合金初期氧化速率常数为32.501×10^(-2)mg/(cm^(2)·h^(1/2)),与后期氧化速率常数28.113×10^(-2)mg/(cm^(2)·h^(1/2))基本接近,呈直线规律,不具有抗氧化性能;而Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)磷酸盐复合涂层样品氧化后期氧化速率常数为5.967×10^(-2) mg/(cm^(2)·h^(1/2)),与氧化初期8 h内氧化速率常数23.941×10^(-2) mg/(cm^(2)·h^(1/2))相比,明显降低,遵循典型抛物线规律,具有抗氧化性能。微观分析结果表明,原始涂层与γ-TiAl合金基体结合紧密,涂层主要相组成为Al_(2)O_(3)、SiC、SiO_(2);AlPO_(4)以无定形状态构成涂层连续相。氧化后,AlPO_(4)演变成晶态,形成涂层致密的网络结构;部分基体钛元素扩散进入涂层中疏松部位,氧化后形成TiO_(2)弥散分布在涂层中,填补了涂层疏松部位,使涂层更加致密;在涂层与基体界面2μm区域内形成连续致密Al_(2)O_(3)膜,阻挡了空气中的氧进一步扩散进入基体。结论Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)复合涂层有效降低了γ-TiAl基合金氧化速率,有助于形成保护性Al_(2)O_(3)膜,明显改善了900℃γ-TiAl基合金抗高温氧化性能。

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。

高温合金电子束重熔硅化物涂层的抗氧化腐蚀性能

采用料浆烧结法在高温合金试样上喷涂硅化物涂层,随后对涂层进行了电子束重熔。对涂层分别进行了24 h的常温和1 800℃盐雾腐蚀试验,检测了涂层的表面和截面微观结构。结果表明:涂层由重熔层(外层)、主体层(中间层)和扩散层(内层)组成;重熔层呈柱状,耐蚀性较好;涂层表面粗糙度较小,并形成了连续均匀的玻璃状氧化物层,因此具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能。

制备Si-Cr-Y高温抗氧化涂层适用于低密度Nb-Ti-Al合金

针对低密度Nb-Ti-Al合金抗氧化性能需求,开展了Si-Cr-Y抗氧化涂层研究,利用SEM、EDS、电阻内热法等手段分析了制备的硅系涂层高温抗氧化性能和微观结构在氧化前后的变化。结果表明,1200℃下涂层抗氧化寿命达到133 h,室温~1200℃空冷热震大于15000次;涂层与基体之间形成一层扩散阻氧层,保证了涂层与基体之间的结合强度;在高温大气环境下,涂层表面形成一层隔绝氧气的SiO2保护层,从而表现出Si-Cr-Y涂层具有良好的抗氧化性能。

TiN涂层对TC4合金高温抗氧化性能的影响

利用真空离子镀技术在TC4钛合金表面制备了TiN涂层,研究其高温抗氧化性能。实验结果表明:随着氧化温度升高和时间延长,TC4基材和涂层试样氧化程度均增加,在700℃保温130 h以内TiN涂层表现出优异的高温抗氧化能力。对于TC4基材,在700℃保温10 h已出现明显氧化色。TC4基材及涂层试样在700℃×200 h氧化层主要由TiO_(2)相和Al_(2)O_(3)相组成。TiN涂层在700℃保温130 h以内对钛合金具有较好的高温防护作用。

高温防护涂层氧化技术在燃气轮机涡轮叶片中的应用研究

针对高温防护涂层氧化技术的应用对策展开探讨,简要介绍了燃气轮机涡轮叶片的工作环境,以及高温防护涂层的作用,进一步针对高温防护涂层技术要点进行分析,包括涂层材料以及制备工艺两个方面,深入探讨了高温防护涂层氧化技术,包括氧化机制、影响因素以及分析方法,最后总结提出了提高高温防护涂层抗氧化性能的有效对策。根据研究结果可知,通过加强材料选择、优化制备工艺等,能够有效提高涂层性能,延长叶片使用寿命。研究结果可为相关人员提供参考,充实理论技术研究内容。