MCrAlY金属黏结层高温失效行为研究进展

随着航空发动机与燃气轮机涡轮进口温度的不断提高,MCrAlY(M=Ni,Co或NiCo)包覆型涂层因具有抗高温氧化以及高的热膨胀系数等优点,成为广泛应用的热障涂层金属黏结层材料。然而,高温服役环境下热障涂层中金属黏结层与陶瓷面层界面应力分布状态愈加复杂,黏结层界面失效导致陶瓷面层的剥落,限制了其在热防护涂层领域的发展。本文简述了黏结层的发展进程,重点阐述高温相转变、热应力和生长应力增加以及S元素扩散等因素导致的黏结层界面的失效行为,分析黏结层界面失效机理,归纳总结了国内外针对金属黏结层界面失效的改进研究工作,并在此基础上提出采用稀土及纳米颗粒协同强化MCrAlY材料,为未来热障涂层体系的优化设计提供了研究方向。

改性MCrAlY涂层的研究进展

热防护涂层可以有效阻止高温、高压、高速等严苛环境造成的高温氧化、疲劳失效等问题,被广泛用于航空发动机与燃气轮机热端部件的热防护。在热防护涂层体系中,MCrAlY(M代表Co、Ni或两者的组合)涂层作为抗氧化、抗热腐蚀覆盖层以及热障涂层系统中的粘结层,以其优异的抗热腐蚀性能及灵活的选择性得到广泛应用。为进一步提高MCrAlY涂层热稳定性及延长其使用寿命,满足使用温度超过1000℃的要求,众多制备与改性方法应运而生。为进一步拓展MCrAlY涂层的应用,本文系统总结了MCrAlY涂层的发展历程及制备方法,重点梳理了掺杂元素、氧化物分散强化、纳米涂层、真空热处理、激光表面处理及梯度结构设计等改性方法,并在此基础上对MCrAlY涂层的未来发展方向进行了展望。

MCrAlY涂层的研究进展

随着发动机的服役温度日益升高,工作环境日益恶劣,涡轮叶片极易在高温环境中氧化,大大降低了叶片的使用寿命。如何在低成本下制备保护性能好的高温防护涂层,是当前国内外研究的重点。MCrAlY包覆涂层可分为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层和NiCoCrAlY涂层,这3类涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能较好,又有很好的塑韧性和抗热疲劳性能,因此可作为涂层或热障涂层的黏结层材料。综述了涂层中主要元素(Al、Cr、Co、Y)、掺杂合金元素(Ta、Re、Si、Pt)、涂层制备工艺和预处理工艺对MCrAlY涂层性能的研究进展。结果表明,可以通过调节MCrAlY涂层的成分来实现涂层性能的调控。向MCrAlY涂层中掺入Si、Ta和Re等活性元素,可显著提高涂层的抗高温氧化性能,以进一步提高发动机的工作效率和满足高温的工作环境需求。总结了采用细化涂层晶粒、掺杂纳米颗粒和制备梯度复合涂层等方法来提高MCrAlY涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能的研究现状,对MCrAlY涂层的发展趋势进行了展望。

MCrAlY高温第二类热盐腐蚀行为研究

针对五种MCrAlY材料进行了700℃的热盐腐蚀试验,通过对材料表面、腐蚀产物、腐蚀截面、腐蚀失重等方面进行分析,研究Co、Cr、Al等MCrAlY的基本元素对700℃下含硫热腐蚀的影响。结果表明,700℃下,腐蚀产物以氧化铬、氧化铝为主,伴随少量尖晶石生成。腐蚀以网状氧化铝形貌向深处蔓延,网状氧化铝的附近往往伴随硫化铬的生成。Co、Cr为抗热盐腐蚀的有益元素,其中,Cr对抗700℃热盐腐蚀的提升作用优于Co元素。

MCrAlY粘接层的现状及发展

随着高温防护技术的发展,热障涂层技术在航空发动机和工业燃气轮机的高温防护中得到了广泛的应用。热障涂层能够明显地改善热端部件的耐高温性能,同时减少高温氧化和腐蚀对热端部件的侵害,显著提高其使用寿命。热障涂层主要由MCrAlY粘接层和氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷层组成,本文着重介绍MCrAlY粘接层常用的制备方法、合金元素对MCrAlY性能的影响和常用MCrAlY合金材料,最后对热障涂层材料的发展方向进行了展望。

TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层研究

为了进一步提高TiAl合金表面等离子喷涂MCrAlY涂层的高温氧化性能,采用激光重熔工艺对涂层进行处理,研究了激光重熔对涂层微观组织及抗氧化性能的影响。用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层氧化前后的表面形貌、微观组织和相组成。结果表明:经过激光重熔处理后,涂层片层状组织得以消失,致密性提高,消除了喷涂层的大部分孔洞、夹杂等缺陷,同时使Al元素在涂层表面的重新分布,形成了Al的富集区;等离子喷涂MCrAlY层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。

合金元素在MCrAlY涂层中的行为

采用电弧离子镀在新型γ′-Ni_3Al基高温合金IC-6上沉积Ni-Cr-Al-Y和Ni-Co-Cr-Al-Y涂层，研究了合金元素对MCrAlY涂层性能及元素行为的影响，结果表明：在沉积过程中，合金中的Al和Mo元素抑制了Cr从涂层向基体扩散，使涂层中的Cr维持在较高浓度；真空扩散处理时，涂层和基体之间发生互扩散，使涂层-基体元素浓度呈梯度分布，减小了涂层和基体热膨胀系数的差别，同时，涂层的相结构也发生变化。γ′-Ni_3Al和γ-Ni仍是涂层的主要相，但是由于Cr原子的取代作用致使晶格常数α_0发生变化，等温氧 化实验表明：Ni-Cr-Al-Y和Ni-Co-Cr-Al-Y涂层氧化规律遵循抛物线规律。900 ℃静态空气等温氧化时，Ni-Cr-Al-Y涂层中加入Co对其抗氧化性能的影响不大。1000℃静态空气等温氧化时，Ni-Cr-Al-Y涂层中加入Co后，降低了其抗氧化性。

Ni_3Al基合金IC6及MCrAlY包覆涂层的抗腐蚀性能

采用离子电弧镀的方法在Ni3 Al基合金IC6上涂覆了NiCrAlY ,NiCoCrAlY及NiCoCrAlYHf 3种MCrAlX涂层 ,测试了IC6合金及其涂层 90 0℃时的抗热腐蚀性能。利用电子探针、SEM、X射线等手段观察了腐蚀试样的微观结构 ,分析了腐蚀产物的组成 ,探讨了IC6合金及其涂层的腐蚀机理。结果表明 :3种涂层均使IC6合金的抗热腐蚀性能有明显改善 ,NiCoCrAlYHf涂层的效果最为显著 ,表面氧化膜的酸性溶解是造成热腐蚀的主要原因。

活性元素影响MCrAlY涂层氧化性能的研究进展

添加微量活性元素可以提高MCrAlY涂层的高温抗氧化性能,从而提高能量转化效率。讨论了目前活性元素效应的研究进展,以及涂层的主要制备方法及其优缺点,并重点分析了活性元素在MCrAlY涂层中的存在形式和作用模型,初步探索了未来需着重解决的问题。

高频感应辅助激光熔覆MCrAlY涂层的微观组织及其抗氧化性能

利用高频感应辅助激光熔覆技术在镍基高温合金表面制备了MCrAlY涂层,与激光直接熔覆制备的MCrAlY涂层进行对比研究。采用扫描显微镜、X射线衍射仪及能谱仪对涂层的微观形貌和组织结构进行了分析。结果表明,在高频感应辅助的作用下,涂层的温度场发生了改变,温度梯度降低,涂层中的Al元素有充分的时间上浮,在涂层表面形成了大量的Al2O3陶瓷相,使得涂层的抗氧化性能明显提高。同时,涂层的横截面呈现网状结构,其主相仍以γ-NiCo相为主,而Y元素在黑色区域为富集形态,可以净化晶界,减少由晶界产生内应力,改善涂层的成型性能。

超音速颗粒轰击处理对MCrAlY涂层氧化行为的影响

采用等离子喷涂(atmospheric plasma spraying,APS)技术在镍基高温合金(GH99)上沉积MCrAlY粘结涂层,并进行超音速颗粒轰击处理。研究超音速颗粒轰击工艺对MCrAlY涂层高温氧化性能的影响。利用扫描电镜、X射线衍射仪、辉光光谱仪对涂层的氧化物演化过程进行观察和分析。结果表明,表面超音速颗粒轰击处理后,涂层表面所生成的氧化物较细小,能快速形成致密连续的氧化膜,保护了粘结层中其它元素的进一步氧化,避免了Ni(Cr,Al)2O4等大颗粒氧化物的形成,延缓了涂层中裂纹的产生和扩展,有效地改善了涂层抗高温氧化性能。

TiAl合金表面激光重熔MCrAlY涂层热腐蚀性能

采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了MCrAlY涂层,并用激光重熔工艺对涂层进行处理,研究了TiAl合金、等离子喷涂MCrAlY涂层及激光重熔MCrAlY涂层850℃下75%Na2SO4+25%NaCl(质量分数)混合盐浸泡热腐蚀性能,分析了不同试样的热腐蚀破坏机理,并讨论了激光重熔处理对涂层热腐蚀性能的影响.结果表明,等离子喷涂MCrAlY涂层能显著提高TiAl合金的耐热腐蚀性能,经过激光重熔后可进一步提高其耐热腐蚀性能.MCrAlY涂层在高温熔盐中的热腐蚀发生的是表面氧化反应和内部硫化反应,主要生成Al2O3,Cr2O3,NiO,NiCr2O4,Ni3S2及CrS等腐蚀产物.

激光熔覆MCrAlY涂层的研究现状

综述了激光熔覆MCrAlY涂层的研究现状,阐述了其面临的主要问题,并指出了当前激光熔覆MCrAlY涂层研究的热点主要集中在颗粒增强复合涂层、纳米涂层、梯度涂层和活性元素改性涂层的制备,熔覆层的开裂控制,工艺参数优化及激光熔覆过程中的数值模拟等方面,并对今后的发展方向进行了展望。

面向高端装备零部件的稀土改性MCrAlY涂层

长期以来,在高温防护领域广泛应用的MCrAlY系列涂层受到了各国研究者和工程技术人员的持续关注。文中总结了哈尔滨工业大学纳米表面工程课题组近年来将稀土改性技术应用于制备热喷涂MCrAlY系列涂层的有关研究,结果表明:稀土改性可使NiCrAlY涂层的硬度提高30%～40%,涂层和基体间的结合强度达到60 MPa以上。加入稀土的NiCrAlY涂层热震抗力明显增加,其在1000℃的热震循环寿命超过100次以上。在1000℃条件下,加入稀土的NiCrAlY涂层在190 h后依然完整,表面无特殊变化;质量分数0.1%稀土氧化物涂层1000℃氧化250 h增重速率比未加稀土涂层降低了60.53%。加入稀土还可以显著提高NiCrAlY涂层的抗高温硫化能力及抗腐蚀性能。稀土改性可以有效改善MCrAlY系列涂层的高温性能,满足国家对高端装备零部件高温防护涂层的要求。

电火花沉积MCrAlY涂层及其高温氧化行为

采用DZ-1600型电火花沉积设备在不锈钢表面电火花沉积MCrAlY涂层,研究了工艺参数对沉积效率的影响以及涂层的组织结构和抗氧化性能之间的关系。结果表明,沉积效率与输出功率成正比,频率对沉积效率几乎无影响。涂层表面呈"泼溅状"形貌,整体呈现纳米级微晶堆垛结构,反映了沉积过程的快速冷凝机制。XRD分析结果显示,高温氧化后在涂层表面形成的氧化膜主要由Al2O3组成。在1000℃空气中氧化200h的结果表明,获得的MCrAlY涂层具有优异的抗高温氧化与抗剥落性能。

MCrAlY材料成分改性研究进展

MCrAlY(M=Ni,Co,NiCo)合金材料由于其优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能,作为热障涂层的粘结层材料或单层涂层得到广泛应用。简要介绍了MCrAlY涂层的组成,并系统地阐述了为提高MCrAlY粘结层材料性能,对粘结层成分进行改性的研究进展,主要包括掺杂合金元素和掺杂硬质颗粒。合金元素主要包含Re,Hf,Pt,Ta等稀土元素;硬质颗粒主要是CeO2,Al2O3等氧化物颗粒。通过掺杂合金元素和硬质颗粒,可以使MCrAlY涂层中形成扩散障碍,改变MCrAlY的相组成,降低粘结层中Al,Cr等元素的扩散速率,从而有效地降低TGO的生长速率,延缓TGO中尖晶石相的形成,提高MCrAlY涂层的抗氧化性能。

MCrAlY涂层及热障涂层的研究进展

航空航天发动机等热部件MCrAlY(M=Ni,Co或Ni+Co)涂层及热障涂层(TCBs)在恶劣的工作环境中具有抗高温氧化、抗热冲击、耐磨损、耐腐蚀等性能,可延长其使用寿命;但长期处于高温状态下的涂层易产生裂纹,最终剥落失效。对此,综述了MCrAlY涂层及热障涂层的高温防护机理、存在的问题及失效机理,总结了提高涂层使用寿命的研究现状及发展趋势,对MCrAlY涂层及热障涂层的应用和发展前景作了展望。

MCrAlY涂层对TiAl金属间化合物抗高温氧化性能的影响

研究了溅射Co-30Cr-6Al-0.5Y及Ni-30Cr-6Al-0.5Y涂层对TiAl金属间化合物抗高温氧化性能的影响。结果表明,在900℃～1000℃范围内,CoCrAlY、NiCrAlY涂层表面由于可形成粘附性良好的A1_2O_3膜,大大改善TiAl金属间化合物的抗氧化性能。在氧化过程中,CoCrAlY、NiCrAlY涂层中的Co、Ni向基体中扩散,从而在基体一侧形成两个扩散层,其中扩散层的外层分别为硬而脆的A1Co_2Ti、AlNi_2Ti三元金属间化合物。1000℃氧化时,CoCrAlY涂层中普遍存在的柱状晶结构和瘤状缺陷,导致Ti向外扩散,涂层表面出现TiO_2。而NiCrAlY涂层表面900℃氧化即出现少量TiO_2。

超音速火焰喷涂MCrAlY涂层氧化性能研究

热障涂层中黏结层的氧化性能与其成分及其组织结构有关,该文采用超音速火焰喷涂方法制备NiCoCrAlTaY涂层和CoNiCrAlY黏结层,通过组织结构研究和氧化性能试验,研究不同成分的黏结层对超音速火焰喷涂MCrAlY黏结层氧化性能的影响,以及热生长氧化物(thermallygrownoxides,TGO)的生长机理。研究结果表明超音速火焰喷涂过程中,MCrAlY粉末发生了氧化,黏结层中含有大量半球形粒子。两种涂层氧化25h前TGO以Al2O3为主,氧化100h后,在Al2O3膜表面出现了大量的Ni/Cr/Co氧化物。CoNiCrAlY涂层氧化动力学系数为0.272m/h1/2,略低于NiCoCrAlTaY涂层。Ni/Cr/Co氧化物的形成取决于Ni、Cr、Co等元素的扩散速度和Al2O3膜的生长速度。

Evaluation of three kinds of MCrAlY coatings produced by electrospark deposition

Three kinds of MCrAlY coatings with different aluminum contents （5%, 8%, 12%） were prepared by electrospark deposition （ESD）, their microstructure and oxidation behavior were studied by SEM and XRD. The results showed that the phase composition of the coatings changed from single γ-Ni to γ-Ni＋β-NiAl hypoeutectic to γ-Ni＋β-NiAl hypereutectic with increasing aluminum content, and their solidification morphologies changed from cluster of cellular structure to cellular dendrites to coarse dendrites with secondary arms. When exposed at 1000 ℃, the coatings with higher Al content had a stronger tendency to form θ-Al2O3 in the initial several hours. After 100 h of oxidation, a dense and adherent α-Al2O3 scale formed on all of the three coatings but the thickness of α-Al2O3 scale and the amount of remaining θ-Al2O3 increased with increasing Al content. These results revealed different characteristics of ESD MCrAlY coatings which could provide scientific guidance for industrial application.