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。

电弧离子镀Al-Cr-O/Zr-O+NiCoCrAlSiY和Al-Cr-O+NiCoCrAlSiY涂层的抗氧化性和隔热性能

采用电弧离子镀在高温合金表面沉积Al-Cr-O/Zr-O多层涂层和Al-Cr-O单层涂层+NiCoCrAlSiY结合层,并在1000~1200℃下进行热处理。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析涂层的显微组织和物相结构。结果表明,Al-Cr-O/Zr-O多层涂层和Al-Cr-O单层涂层均呈现出致密的球形结构。热处理后,Al-Cr-O/Zr-O涂层表面出现裂纹,且裂纹随着温度的升高而增多和变粗。然而,Al-Cr-O涂层经热处理后其表面胞状结构转变为紧密连接的粒状结构,并且随着热处理温度的升高,粒状结构显著长大。由于作为氧离子导体以及t-ZrO_(2)的致密度低于α-Al_(2)O_(3),Al-Cr-O/Zr-O涂层中的t-ZrO_(2)为氧离子向涂层内扩散提供了通道,因此,Al-Cr-O单层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系的高温抗氧化性优于Al-Cr-O/Zr-O多层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系。但是,由于更大的陶瓷涂层厚度,t-ZrO_(2)相的低热导率以及层间界面的热反射作用,Al-Cr-O/Zr-O多层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系的隔热性能优于Al-Cr-O单层涂层+NiCoCrAlSiY涂层体系。

高低温交替海洋环境下NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层的腐蚀失效机理

为探究NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层在高低温交替海洋环境中的腐蚀损伤和退化机理,通过设计高-低温氧化交替和高温氧化-酸性盐雾交替试验,对NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层腐蚀损伤开展研究。试验结果表明,经750℃高-低温交替氧化50次循环后,涂层在氧化试验中发生氧化侵蚀,但表面结构完整性并未受到破坏。试验结束后合金质量仅增加了3.87 mg/cm^(2),表明涂层有效抑制了氧气向内部发生扩散,避免了基体遭受氧化侵蚀。在50次高温氧化-酸性盐雾交替循环过程中,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层发生了严重的腐蚀降解,试验结束后合金质量高达13.52 mg/cm^(2)。氧化层结构因长期的盐雾侵蚀导致表面松动,萌生腐蚀孔洞甚至发生脱落。随着高温氧化-酸性盐雾交替循环次数的增加,引起涂层损伤的临界反应由氧化侵蚀转变为热腐蚀。混合盐共晶反应生成的氯气作为催化载体,加速了氧化产物的生长,证明NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层在高温氧化-酸性盐雾交替环境下的抗腐蚀性能较弱。

预处理温度对NiCoCrAlYHf涂层氧化行为及表面粗化机制的影响

NiCoCrAlYHf涂层作为热障涂层体系中的粘结层已得到广泛应用,其服役过程中的氧化行为和表面粗化机制受预处理温度的影响较大。为明确预处理温度的影响,对预处理涂层和等温暴露涂层的特性进行了表征和分析,包括微观结构、重量变化、热生长氧化物(TGO)厚度和表面粗糙度。

NiCoCrAlY/YSZ梯度涂层热力学性能的有限元模拟

采用代表体积单元法建立NiCoCrAlY/YSZ梯度热障涂层的有限元二维微观模型,计算不同相成分配比下梯度层的热物理性能参数,将参数结果推广到三维多层涂层实体模型,研究热循环过程中双层结构涂层和梯度结构涂层的热力学性能。结果表明:梯度层的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数与各相成分比例近似呈线性关系,导热系数受各相分布形态的影响;当梯度层中NiCoCrAlY相成分比例在0.7以下时,导热系数较低,常温状态最高为2.91 W·m^(-1)·K^(-1)。相比于双层结构涂层,梯度结构涂层的YSZ成分比例降低20%,隔热温度降低14%,陶瓷面层在高温时产生的热失配径向拉应力降低47%,轴向拉应力降低32%,切应力降低37%,冷却后的残余应力降低50%,这归因于涂层结构的梯度化有效降低涂层与基体热膨胀系数不同而产生的热失配应力。根据涂层应力分布结果,涂层易在TC/BC界面的中心区域形成垂直裂纹,靠近外侧边缘区形成水平裂纹。

NiCoCrAlYTa/Ag/Mo复合自润滑涂层的制备及其高低温循环摩擦学性能

为了开发适用于苛刻工况的长寿命、高可靠的自润滑涂层,选择NiCoCrAlYTa作为黏结相,Ag作为润滑相,Mo作为增强相,采用超音速火焰喷涂(high-velocity oxy-fuel spraying,HVOF)技术在Inconel718高温合金基体上制备复合涂层。考察该复合涂层在室温及800℃循环交变条件下的摩擦学行为,研究磨损表面的形貌特征、化学成分、相组成,揭示摩擦过程中元素之间的相互作用以及摩擦表面的物理化学本质,探究其在高低温交变环境下的多循环“自适应”润滑机理。结果表明:复合涂层致密均匀,力学性能良好,主要有γ-Ni,β-NiAl,γ′-Ni_(3)Al,Ag和Mo等物相;复合涂层表面生成的β-Ag_(2)MoO_(4)类层状润滑剂,可大大改善涂层在高温条件下的摩擦磨损性能;在多循环交变条件下,复合涂层后续循环摩擦因数较首次循环而言有所增大,但在室温条件下的磨损率却有所减小;这是涂层在高温条件下生成的β-Ag_(2)MoO_(4)类层状尖晶石润滑相与Al2O3、MoO3硬质相氧化物在摩擦剪切力的作用下相互影响而导致的。

H_2O和Y(O)对NiCoCrAl热障涂层高温氧化的影响

分别利用真空等离子沉积和超音速火焰喷涂技术制备含有Y和含Y氧化物的NiCoCrAl涂层,用差热分析和光学及电子显微镜研究两种涂层在Ar-16.7%O_2,Ar-3.3%H_2O和Ar-0.2%H_2-0.9%H_2O气氛中1100℃时的氧化动力学和断面微观结构,通过第一性原理计算对比在不同气氛中含Y氧化物对涂层氧化的影响机理。结果表明:对于NiCoCrAl+Y涂层,Y倾向于向界面扩散并在界面富集导致Al_2O_3膜生成更多有利于内氧化的孔洞,水蒸气更会对内氧化产生促进作用。而对于NiCoCrAl+Y(O)涂层,由于Y在涂层制备过程中被氧钉扎,导致NiCoCrAl+Y(O)涂层在上述气氛中生成了平直而均匀的Al_2O_3层,不同气氛对其氧化行为影响较小。上述研究进一步揭示NiCoCrAl涂层中活性元素Y的存在状态和氧化气氛中的水蒸气对氧化铝组织结构和生长速率有重要影响。

低压等离子喷涂NiCoCrAIYTa涂层的抗燃气热冲击性能研究

为了保障涡轮叶片材料的抗高温氧化与耐热腐蚀性能,采用低压等离子喷涂技术在航空发动机涡轮叶片试验件上成功制备了NiCoCrAlYTa涂层。通过对不同粉末制备的NiCoCrAlYTa涂层进行1000℃/75 h燃气热冲击试验,研究了带涂层叶片尺寸、涂层表面形貌、相组成和显微组织、涂层厚度和均匀性等性能参数的变化。结果表明:热冲击试验后,不同涂层叶片的整体尺寸未发生显著变化,表明涂层在高温环境下具有稳定的尺寸;涂层表面形成了Al_(2)O_(3)膜和NiAl_(2)O_(4)尖晶石,保留了较好的结构完整度,这有助于提高涂层的耐腐蚀性能;涂层的物相组成主要包括γ-Ni、γ’-Ni_(3)Al和少量的β-NiAl,形成了贫Al区、互扩散区、二次反应区等典型微区结构,析出的TCP相为R相,表明在热冲击过程中涂层发生了相变;不同粉末制备的NiCoCrAlYTa涂层均表现出了良好的抗热冲击性能,为航空发动机涡轮叶片的高温应用提供了可行的涂层方案。

化学镀Pt对多弧离子镀NiCoCrAlY涂层高温氧化行为的影响

目的改善多弧离子镀NiCoCrAlY涂层的抗高温氧化性能,探究化学镀Pt对NiCoCrAlY涂层高温氧化行为的影响。方法采用多弧离子镀(M-AIP)技术在第二代镍基单晶高温合金上沉积NiCoCrAlY涂层,然后通过化学镀技术在其表面制备厚度约0.5μm的Pt镀层,经真空退火处理后获得Pt改性的NiCoCrAlY涂层。通过1050℃恒温氧化和循环氧化试验测试涂层的高温氧化性能,并利用扫描电子显微镜、X射线衍射以及电子探针等手段对涂层物相及元素分布进行分析。结果经化学镀Pt改性后,NiCoCrAlY涂层恒温氧化20 h的氧化增重由0.78 mg/cm^(2)减小至0.47 mg/cm^(2),氧化速率常数由6.32×10^(-12)g^(2)/(cm^(4)·s)降低为2.16×10^(-12)g^(2)/(cm^(4)·s);而循环氧化300次的氧化增重由1.52 mg/cm^(2)减小至1.05 mg/cm^(2),氧化速率常数由1.93×10^(-12)g^(2)/(cm^(4)·s)降低为9.86×10^(-13)g^(2)/(cm^(4)·s)。2种涂层在本试验氧化条件下生成的氧化膜均为α-Al_(2)O_(3),但NiCoCrAlY涂层生成的氧化膜更厚且起伏明显,同时在局部区域向涂层内生长,特别是循环氧化后期氧化膜还发生了局部剥落。化学镀Pt改性后,NiCoCrAlY涂层表面生成的氧化膜明显变薄,且致密、平坦,无开裂和剥落现象,同时氧化膜向涂层内的生长得到了有效抑制。结论化学镀Pt改性可进一步提高多弧离子镀NiCoCrAlY涂层的抗高温氧化性能。

超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C涂层的制备及抗氧化性能研究

目的 提高金属/陶瓷体系高温固体润滑耐磨涂层的抗氧化性能。方法 采用离心喷雾造粒、高压氢还原镀镍和固相合金化技术,制备包覆型NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C复合粉体,并采用超音速火焰喷涂技术在镍基高温合金上沉积复合涂层材料,通过SEM和XRD研究粉体和涂层的显微结构和物相组成,通过马弗炉研究涂层在高温下的氧化性能。结果 Al_(2)O_(3)-B4C颗粒表面均匀包覆着一层厚度为2~3μm的NiCoCrAlY合金。超音速火焰喷涂NiCoCrAlY/Al_(2)O_(3)-10%B_(4)C复合涂层结构致密,孔隙率仅为0.45%±0.05%,涂层与基体结合良好。涂层和粉体的主晶相均为Ni的固溶体、α-Al_(2)O_(3)相和B4C相,涂层衍射峰强度比粉体有所降低。在850℃氧化96 h后,涂层表面生成了一层连续的灰色物质,其厚度为1~3μm,经EDX分析,其主要元素组成为O、Ni、Al和Cr,说明主要成分为Ni、Al和Cr的金属氧化物。涂层在850℃的氧化动力学曲线分为2个阶段,氧化初期,涂层快速氧化,生成以NiO、Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)为主的混合氧化物膜;氧化后期,涂层进入稳定氧化阶段,此时涂层的氧化过程主要由O在氧化膜中的扩散速度决定。结论 涂层在850℃的抗氧化性能良好,可在850℃的氧化环境下使用。

真空等离子喷涂NiCoCrAlYTa涂层在1050℃的氧化行为研究

采用真空等离子喷涂(VPS)方法在DD6单晶合金基体表面制备NiCoCrAlYTa涂层,研究DD6基体和DD6/NiCoCrAlYTa涂层在1050℃的高温氧化行为,通过X射线衍射和扫描电镜研究涂层相结构和微观形貌变化。结果表明:NiCoCrAlYTa涂层氧化动力学曲线符合抛物线规律;氧化分为快速氧化和慢速氧化2个阶段,快速氧化阶段的氧化速率常数为0.00652 mg^(2)•cm^(−4)•h^(−1),慢速氧化阶段的氧化速率常数为0.00274 mg^(2)•cm^(−4)•h^(−1);在慢速氧化阶段形成较完整的氧化物防护层,有效降低涂层和基体的进一步氧化速率,其200 h氧化增重为0.9 mg/cm^(2),相较于DD6基体的氧化增重2.16 mg/cm^(2)有显著降低。采用VPS方法在DD6基体制备的NiCoCrAlYTa涂层在1050℃以下具有优异的抗氧化效果。

不同工艺NiCoCrAlYTa涂层组织形态及抗高温氧化性能研究

采用激光熔覆和大气等离子喷涂技术在镍基高温合金(GH4169)上制备NiCoCrAlYTa涂层,研究2种涂层的微观组织和高温氧化性能。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和能谱仪观察涂层的微观组织形态和物相分析。结果表明:激光熔覆涂层中形成胞状亚结构的等轴晶凝固组织,相对于等离子喷涂涂层结构更致密。在1100℃氧化100 h后,喷涂涂层的氧化产物主要为Cr_(2)O_(3)和尖晶石,抗氧化能力降低;而激光熔覆涂层较为致密、孔隙少,氧化产物为γ-matrix、NiO和少量尖晶石,其抗氧化性能明显优于等离子喷涂涂层。

热力耦合对电弧离子镀NiCoCrAlYHf涂层/镍基单晶高温合金界面组织结构的影响

高温合金在高温服役时会受到温度和应力的共同作用,其界面组织结构的变化必然与单一热场下不同。采用电弧离子镀技术在镍基单晶高温合金表面制备NiCoCrAlYHf涂层,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、电子探针(EPMA)等方法研究了涂层与基体在不同温度、时间及应力的条件下由元素互扩散所引起的微观结构演变与各成分的分布。结果表明:在无加载的情况下,NiCoCrAlYHf涂层与单晶高温合金的界面在1050、1100及1150℃下均发生明显的元素互扩散现象,且随着热暴露温度的升高和时间的延长,互扩散区(IDZ)宽度增大;界面处的扩散元素以Al、Ni、Cr和Co为主,Al、Ni由基体向涂层扩散,Cr、Co由涂层向基体扩散,导致基体γ/γ′相失稳而析出拓扑密堆积相(TCP)。NiCoCrAlYHf涂层与单晶高温合金基体在热力耦合作用下具有与上述相似的元素互扩散现象,但应力抑制了界面元素的互扩散行为,互扩散区宽度明显减小,且不受实验范围内载荷大小(50、71和100 MPa)的影响。另外,应力场不会改变TCP相的形貌和成分富集,单一热暴露试样和热力耦合作用试样在互扩散区、二次反应区(SRZ)析出的块状及针状TCP相均为碳化钽和P相析出物。

等离子喷涂ZrO_2NiCoCrAlY梯度涂层的界面强化热处理工艺

在大气条件下经高温长时间保温后，ＺｒＯ２ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ 梯度涂层中的ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ 组元发生严重氧化， 形成大量的ＮｉＯ， Ａｌ２Ｏ３ 和Ｃｒ２Ｏ３ 等氧化物， 导致ＺｒＯ２ 表面层中产生粗大网状裂纹， 并最终导致ＺｒＯ２ 表面层碎裂而失效。对梯度涂层进行（９００ ℃） 保温（８ ｈ） 的真空热处理后， 涂层完好无损， ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ 底层与ＴＣ４ 基体发生了冶金化学反应， 在涂层与基体界面形成了含ＮｉＴｉ， ＮｉＴｉ２ 和ＴｉＡｌ３ 等化合物的反应层，

IC6合金NiCoCrAlY涂层在制造过程中的修复研究

研究了适用于 IC6合金的 Ni Co Cr Al Y涂层在制造过程中的修复对涂层本身及 IC6合金基体的显微组织和力学性能的影响。结果表明 ,与原始态涂层相似 ,修复态涂层通过扩散层与基体紧密结合 ,涂层 /基体界面处没有任何孔洞和裂缝 ,各元素在涂层、基体之间存在明显的浓度梯度。而且涂层修复对 IC6合金的显微组织和力学性能均没有明显影响。经过 110 0℃ / 90 MPa持久试验后 ,原始态涂层和修复态涂层与 IC6合金基体之间都发生了明显的互扩散 ,涂层中 Mo含量上升到 16 % (质量分数 ,下同 )左右 ,而 Cr和 Co含量下降至 5 %左右 ,但涂层仍然与合金基体结合紧密。因此 ,Ni Co Cr Al

激光重熔对等离子喷涂ZrO_2-NiCoCrAlY梯度涂层组织与性能的影响

在保证梯度涂层的成分分布方式不被影响的前提下，对其ZrO2表面层进行了激光重熔处理．经重熔处理后，ZrO2熔化区形成了致密的结晶组织，其硬度得以大幅度提高，涂层的抗氧化性能得到较大的改善．同时，由于涂层经受了严重的不均匀受热－冷却过程，在涂层中形成了较大的残余热应力，使ZrO2晶粒发生强烈畸变，并致使熔化区表面形成网状裂纹和少量纵向裂纹贯穿熔化区，降低了熔化区与未熔涂层间的结合强度，对涂层的抗热震性能造成不良影响．

铝基体喷涂Al_2O_3-TiO_2/NiCoCrAlY系梯度涂层的抗热震性能

在 ZL104铝合金基体上喷涂了 Al_2O_3-TiO_2/NiCoCrAlY 系梯度涂层和 Al_2O_3-TiO_2非梯度涂层,对这两种试样进行了室温400℃冷热循环试验,以研究涂层的抗热震性能和热震失效机制。结果表明:Al_2O_3-45%TiO_2与基体热膨胀系数的差异所产生的热应力是热震过程中涂层剥落的主要原因,涂层成分的梯度变化缓解了热应力,提高了抗热震失效能力;在热震循环过程中试样的弯曲是由基体和涂层材料膨胀系数、导热系数的差异以及铝基体的塑性变形造成的,这种变形使涂层产生残余拉应力,降低了涂层的抗热震性能。

电弧离子镀NiCoCrAlY涂层的组织结构及初期氧化

采用XRD,SEM,TEM和光激发荧光谱等技术对电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层的组织结构和初期氧化的机理进行了研究.结果表明,电弧离子镀方法沉积的NiCoCrAlY涂层具有纳米晶体结构,呈明显的层状生长.真空退火后涂层内的层状结构消失,涂层组织更致密,晶粒明显长大.有孪晶出现.涂层在真空退火后表面已经生成一层很薄的以α-Al2O3为主的氧化膜,在高温氧化过程中,涂层表面的亚稳态氧化物θ-Al2O3先增多,然后逐渐转变为稳态的α-Al2O3,并对其相关机理进行了探讨.

ZrO_2/NiCoCrAlY功能梯度涂层残余应力分析

采用有限元方法研究了等离子ZrO2 NiCoCrAlY功能梯度涂层形成过程中的热力学行为以及残余应力的分布。结果表明,由于涂层与基体的热膨胀系数不匹配等原因,在界面等区域存在严重的应力集中。涂层与基体厚度比、中间层以及喷涂过程的冷却速率对残余应力水平有很大影响。涂层内部关键区域的残余应力水平,随着涂层厚度增加而增加;5 0 %ZrO2 +5 0 %NiCoCrAlY中间层对降低涂层内部的应力水平是有利的,但并不能消除涂层内部的应力集中;对于瞬态分析而言,涂层内部的应力随着冷却速度的增加而增加。

冷喷涂NiCoCrAlY涂层的微观性能研究

运用冷喷涂技术制备了NiCoCrAlY合金涂层,通过扫描电镜和能谱仪对涂层表面以及横截面的微观结构、喷涂粒子之间的结合变形情况进行了观察和成分分析,运用显微硬度计对制备的NiCoCrAlY合金涂层内部的显微硬度进行了测量。结果表明,只有使用氦气作为载气时才能运用冷喷涂技术制备出NiCoCrAlY合金涂层,使用空气和氮气作为载气时无法制备;在不同粉体成分下,NiCoCrAlY合金粉体的沉积特性不同,所制备的涂层微观性能也不同。