TiAl基合金高温防护及热障涂层体系研究进展

TiAl基合金以其低密度、高比强度、耐烧蚀、良好的高温力学性能等优点成为新型轻质高温结构候选材料,自20世纪70年代以来备受关注。随着各种强韧化措施的研究不断深入,TiAl基合金的室温脆性问题逐步得到了解决。TiAl基合金成功应用于航空发动机叶片、航天飞行器蒙皮、舵翼、汽车排气阀等。然而,TiAl基合金高温抗氧化性能不足,限制了其作为高温零部件的应用。目前,主要通过整体合金化以及表面改性两种方式来改善TiAl基合金的高温抗氧化性能。整体合金化是在合金中添加Nb、Si、Mo、W、稀土等合金元素,促使合金表面形成致密的氧化层并提高氧化层与基体的结合力;表面改性主要包括表面合金化和表面涂层两种途径,表面合金化技术一般采用热扩散、离子注入、预氧化、激光表面合金化等方法,表面涂层技术是利用不同种类的涂层改善基体的表面性能,例如Ti-Al-X体系涂层、MCrAlY热障涂层、陶瓷涂层、复合涂层。热障涂层,作为一种表面改性中的涂层材料,具有优异的抗氧化性能以及长期服役性能。当应用于TiAl基合金表面时,热障涂层能够有效提升合金的高温抗氧化性能。但两者结合也存在如下问题,热生长氧化物的过度生长导致界面失效,以及涂层与基体元素互扩散严重,导致热障涂层/TiAl合金体系长期服役性能减弱。本文归纳并分析了TiAl基合金的高温氧化行为,分别从整体合金化以及表面改性两个方面综述了TiAl基合金高温防护的影响因素和作用机理,分析了热障涂层应用在TiAl合金表面所面临的问题并提出了改进方案,以期为提高TiAl基合金的抗高温氧化性能及发展热障涂层/TiAl合金体系提供参考。

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。

激光熔覆耐磨铁基合金涂层研究现状

磨损失效作为机械部件的主要失效形式之一,会造成巨大的能源消耗和材料损失。激光熔覆技术作为我国重点发展的再制造技术之一,具有修复效率高、性能优异、绿色环保的特点。综合考虑熔覆层与基体材料的热膨胀系数、熔点及润湿性等匹配性因素,铁基合金成为激光熔覆再制造的主要合金材料之一。结合国内外最新相关研究成果,从合金成分、外加强化相、激光熔覆工艺参数(激光功率、扫描速率、送粉率)等方面对激光熔覆铁基合金耐磨性能的影响进行了综述,系统讨论了合金成分、外加强化相、激光熔覆工艺参数对铁基熔覆层耐磨性能的影响机理,并介绍了铁基熔覆层的磨损失效机理。最后对激光熔覆高耐磨铁基合金涂层的未来发展方向进行了展望。

K465高温合金表面AlSiY涂层组织演变及化学去除过程研究

目的研究4种化学去除剂配方对K465合金表面AlSiY涂层去除均匀性的影响,以及涂层的组织结构演变规律,确定AlSiY涂层均匀去除的最佳配方。方法制备4种配方的化学去除剂,分别对涂层进行去除,采用SEM、EDS,XRD等测试方法对比研究AlSiY涂层去除前后的组织结构演变,并通过第一性原理计算4种化学去除剂组分对涂层去除的影响。结果K465高温合金表面AlSiY涂层结构分为内外两层,主要为β-NiAl相和少量碳化物,其中内层碳化物为M_(23)C_(6),外层碳化物为M_(6)C;Ni_(5)Al_(3)相为Ti元素扩散的壁垒,导致Ti元素无法扩散至表面;涂层表面不同取向晶面电子功函数的差异是涂层外层化学去除不均匀的根本原因,采用单组分硝酸时,涂层表面(110)晶面与(100)及(211)晶面电子功函数差值分别为0.77eV和0.7eV;在硝酸中加入氢氟酸,差值分别为0.6 eV和0.58 eV;在硝酸中加入铬酐后,差值分别为0.3 eV和0.36 eV,腐蚀均匀性明显提高;但在硝酸中同时加入氢氟酸和铬酐时,电子功函数差值达到最小,差值分别为0.17eV和0.21eV。结论硝酸+氢氟酸+铬酐化学去除剂能够降低AlSiY涂层各晶面的电子功函数差异,有望实现AlSiY涂层外层化学去除的均匀性。

锆合金表面Al_(0.2)CrFeNiCu_(1.5)高熵合金涂层的组织与性能研究

采用超高速激光熔覆技术在锆合金棒上成功制备了Al_(0.2)CrFeNiCu_(1.5)高熵合金涂层,涂层与基体具有良好的冶金结合,没有裂纹和气孔等缺陷。采用扫描电子显微镜对涂层进行了形貌和能谱分析,用显微维氏硬度计和电化学工作站对涂层的硬度和耐腐蚀性能进行了研究。结果表明:涂层底部与基体之间存在元素的相互扩散,热影响区宽约86μm,在其界面处可以观察到垂直生长的柱状晶。涂层组织主要由灰黑色的枝晶区和灰白色的枝晶间区组成。涂层成分均匀,硬度最高可达690 HV,高熵合金特有的固溶强化、晶格畸变和缓慢扩散效应是其具有高硬度的主要原因。涂层的自腐蚀电流密度为6.241×10^(-8) A/cm^(2),极化电阻为1.181×10^(6)Ω/cm^(2),阻抗为2.326×10^(6)Ω/cm^(2),Al_(0.2)CrFeNiCu_(1.5)高熵合金涂层提高了锆合金基体的耐腐蚀性能。

渗铝涂层对DD6单晶高温合金疲劳性能的影响

为研究渗铝涂层对DD6合金表面完整性和旋转弯曲高周疲劳性能的影响,采用化学气相沉积(CVD)方法在标准热处理的DD6合金疲劳试样上渗铝,采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了渗铝涂层后DD6合金试样横截面组织形貌及元素分布情况,然后分别测试未涂层和涂层后试样760℃与980℃的旋转弯曲高周疲劳性能。结果表明:渗铝涂层后试样表层区域主要分为内外两层,外层主要由β-NiAl相组成,内层为扩散层,含有较多固溶强化元素。渗铝涂层会略微降低合金760℃和980℃的旋转弯曲高周疲劳性能,但对高应力幅区的疲劳寿命影响较大,对低应力幅区的疲劳寿命影响较小。表面粗糙度差异、氧化损伤和元素互扩散等因素耦合作用是导致未涂层和涂层试样疲劳寿命差异的本质原因。

钛合金表面环氧基h-BN石墨共轭润滑涂层的摩擦学性能研究

[目的]为克服钛合金表面硬度低、耐磨性差、粘合磨损严重等问题,研究了石墨与六方氮化硼(h-BN)在环氧树脂基涂料中共掺杂对其耐摩擦磨损性能的影响。[方法]采用刷涂法在TC6钛合金表面制备了不同石墨/h-BN质量比的环氧树脂基复合涂层,考察了涂层的附着力、铅笔硬度、摩擦因数、磨损三维形貌、磨损机制及腐蚀电化学行为。[结果]由h-BN和石墨构成的共轭润滑相能够发挥出比单一颗粒更优异的性能。石墨与h-BN的质量比1∶1时,涂层的附着力达到23.47 MPa,耐磨性和耐蚀性最佳。h-BN作为硬质相能改善涂层在高载荷和高转速下的抵抗能力,复合颗粒涂层的摩擦因数及比磨损率都低于单一颗粒涂层。涂层的磨损机制随着h-BN添加量的增大由以滑动摩擦为主导转变为以粘着磨损为主导。[结论]相较于传统的耐磨和减摩涂层,本涂层兼顾了硬度及自润滑性,同时实现了低摩擦因数和低磨损率,有一定的应用潜力。

铜锶二元掺杂硅酸钙涂层改性钛合金的促成骨和抗菌效应

背景:钛合金作为骨科植入物时缺乏生物活性,可导致种植体松动和假体周围感染,因此,研究一种兼顾促成骨和抗感染复合功能的钛合金表面改性方法具有重要意义。目的:研究铜、锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金的理化性质,评估其促成骨和抗菌方面的潜能。方法:采用球磨、造粒方法制备含有氧化铜、氧化锶及硅酸钙的复合粉末,采用大气等离子喷涂技术在钛合金(Ti6Al4V)表面制备铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层,对复合涂层进行表征。将钛合金浸提液、硅酸钙涂层改性钛合金浸提液、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金浸提液分别与MC3T3-E1细胞共培养,检测材料的生物安全性与促成骨性能。将金黄色葡萄球菌(或大肠埃希菌)分别与钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金、铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金、铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金共培养,扫描电镜、平板计数法检测材料的体外抗菌性能。结果与结论:(1)扫描电子显微镜下可见铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层粗糙表面存在大量的纳米结构,该复合涂层成功喷涂在钛合金表面,在体外可缓释Sr^(2+)和Cu^(2+),并且Sr^(2+)的释放浓度大于Cu^(2+);(2)CCK-8和细胞活死染色结果显示,铜掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有一定的细胞毒性,硅酸钙涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金具有良好的生物相容性;碱性磷酸酶与茜素红染色结果显示,相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金,铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金表现出更优的促成骨性能;(3)扫描电镜观察、细菌涂布和细菌计数法结果表明,相较于钛合金、硅酸钙涂层改性钛合金,铜掺杂硅酸钙复合涂层与铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛合金能有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的生长,表现出抗菌潜能;(4)结果表明,铜锶二元掺杂硅酸钙复合涂层改性钛片具备良好的生物相容性、促成骨性能与抗菌性能。

基于ABAQUS模拟高温氧化对铬涂层锆合金力学性能的影响

为了弄清高温氧化对铬涂层锆合金包壳力学性能的影响,依据铬涂层锆合金高温氧化的特点,提出了一种分时段、多层材料建模策略,并基于ABAQUS有限元分析软件研究了氧化不同时间的铬涂层锆合金包壳的力学响应特性。结果表明:在1200℃氧化不足1h,锆基体中Mises应力的下降速率约为1.8 MPa/h,但Cr_(2)O_(3)涂层的增厚导致锆基体中应力增大;随着氧化时间的延长,涂层-基体界面拉应力逐渐减小至0.14 MPa左右;高温氧化后的铬涂层锆合金包壳经受径向压缩载荷时,锆基体中最大周向拉应力出现在中心角θ=0/180°方向内侧,且随着Cr_(2)O_(3)层的增厚而增大。

镁合金表面DCPD涂层的制备及其界面结合机制研究

目的研究CaHPO_(4)·2H_(2)O(DCPD)与Mg的界面结合机制,以提高DCPD在镁合金表面的界面结合强度。方法利用电镀法在AZ31镁合金表面制备DCPD涂层,采用SEM、XRD、XPS等对涂层形貌及结构进行表征。同时,运用分子动力学模拟(MD)对DCPD在Mg表面形成机制进行研究,通过统计界面层中不同组分的径向分布函数、密度分布、均力势、总能量等的变化,揭示DCPD/Mg的界面结合能、结合位点及结合方式。结果通过电镀法形成的DCPD涂层形貌为致密的荷花瓣状晶体,主要成分为CaHPO_(4)·2H_(2)O。模拟结果表明,CaHPO_(4)·2H_(2)O的4个晶面(010)、(-120)、(11-1)、(111)、(-120)与Mg的结合能最强(163.63 kJ/mol)。其中起“铆钉”作用的基团是HPO_(4)^(2-)和H_(2)O,结合位点主要为O与Mg,即HPO_(4)^(2-)和H_(2)O通过静电作用及范德华力与Mg形成Mg-HPO_(4)^(2-)和Mg-H_(2)O偶极对。研究发现,形成的偶极对中HPO_(4)^(2-)及H_(2)O的配位数分别为0.75和1.16,Mg-H_(2)O的解离能更大,结构更稳定。结论提出改善DCPD/Mg结合强度的方法,电镀前可将镁合金置于NH4H_(2)PO_(4)溶液中浸泡片刻,促进CaHPO_(4)·2H_(2)O(-120)晶面的形成。

激光熔覆功率对FeCrNiCoMoBSi高熵合金涂层电化学腐蚀性能的影响

探讨了FeCrNiCoMoBSi高熵合金(HEA)激光熔覆涂层的微观结构以及激光功率对涂层物相和电化学腐蚀性能的影响。研究结果显示,HEA涂层由底部的柱状晶带、顶部的等轴晶带以及中间混晶带(由柱状晶和等轴晶混合组成)构成。采用3 000W功率制备的HEA涂层表现出最低的自腐蚀电流密度(0.425μA/cm^(2))、最高的自腐蚀电位(-0.16852V)以及最大的极化阻抗(69 616Ω),其阻抗模值■为1 143Ω·cm^(2),分别是1 800,2 500和4 500 W功率激光熔覆涂层的8.65倍、4.91倍和7.14倍,且其最大相位角为76.23°,均高于其它三种涂层。综合评估显示,采用3 000 W功率制备的HEA涂层具有出色的电化学腐蚀性能。这是由于其单一的FCC晶体结构、抗腐蚀的铁镍合金相和单质铬相、良好的晶体结晶度、细化的晶粒尺寸以及卓越的钝化效应,使其电化学腐蚀性能显著优于其他功率制备的涂层。

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

纳米CeO_(2p)对镍基高温合金表面NiCoCrAlY激光熔覆涂层氧化行为的影响

纳米CeO_(2p)是合金中最为常用的一种稀土改性材料,可明显改善合金的抗氧化性能.为了研究纳米CeO_(2p)对双层热障涂层中NiCoCrAlY粘结层抗氧化性能的影响.本文采用激光熔覆技术,在镍基高温合金表面上制备了4种纳米CeO_(2p)含量不同的NiCoCrAlY粘结涂层,分析了它们在1050℃空气氛围中的等温氧化行为,并初步探讨了纳米CeO_(2p)的作用机制.结果表明:添加纳米CeO_(2p)的涂层的抗氧化性能均高于未加纳米颗粒的涂层,其中添加2%(质量分数)纳米CeO_(2p)的涂层抗氧化性能最好.在氧化100 h后,添加2%纳米CeO_(2p)涂层的质量增加仅为1.56 mg/cm^2,较未加纳米颗粒的涂层减少一半以上;同时,涂层进入稳态氧化所需要的时间极短.仅为未加纳米颗粒的涂层的1/20;此外,涂层氧化膜在长时间氧化后仍很致密,涂层内部仅出现轻微的内氧化,而相同氧化条件下的未加纳米颗粒的涂层的氧化膜已趋于失效.

喷丸处理对IC6合金NiCoCrAlY涂层表面粗糙度的影响

研究喷丸处理对IC6合金N iCoCrA lY涂层表面粗糙度的影响。结果表明,在涂层真空扩散处理后进行喷丸处理,喷丸压力0.4MPa和时间4m in可显著改善N iCoCrA lY涂层表面粗糙度,使Ra降至1.6μm以下,并可提高涂层致密度。涂层喷丸处理所引入的残余压应力没有引起基体IC6合金再结晶。因此采取喷丸处理改善IC6合金N iCoCrA lY涂层表面粗糙度是完全可行的。

NiCoCrAlYSi涂层对镍基单晶合金高温氧化特性的影响

通过对有/无NiCoCrAlYSi涂层镍基单晶合金高温氧化后的组织结构观察与分析、及等温循环氧化质量变化动力学曲线测定,研究了有/无涂层合金的高温氧化特性。结果表明:在高温氧化期间,无涂层合金表层发生明显的氧化和内氧化,在异形大颗粒内氧化物附近出现贫Al区,使区内γ′相消失;元素贫化区尺寸随时间的变化服从抛物线规律;无涂层合金经不同温度循环氧化具有不同的动力学特征,1040℃循环氧化表现的较大增减重波动幅度的原因是元素Al和Cr的交替选择性氧化;涂层合金经不同温度循环氧化后无明显失重特征,该涂层可有效改善合金的抗氧化性能。

钛合金表面等离子喷涂 ZrO_2-NiCoCrAlY 梯度涂层的抗热震行为

ＺｒＯ２－ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ梯度涂层的成分沿厚度方向呈连续梯度化分布，提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度，其抗热震性能优于双层涂层。在较大热冲击应力作用下，梯度涂层整体自基体表面剥落而失效；在较小热冲击应力作用下，由于ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ底层与ＴＣ４合金基体发生了热相互作用，改善了涂层与基体的结合状况，梯度涂层纵向断裂并部分自基体表面剥落而失效。

NiCoCrAlYHf涂层与一种Ni基单晶高温合金循环氧化行为研究

在第三代Ni基单晶高温合金上制备NiCoCrAlYHf(HY5)高温抗氧化涂层,采用扫描电镜(SEM),能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等手段,对涂层表面及界面进行组织形貌观察和相结构分析,研究涂层试样的循环氧化动力学和元素互扩散行为。结果表明:采用真空电弧镀(AIP)方法制备的HY5涂层,提高了单晶高温合金的循环抗氧化能力;在1100℃大气环境中扩散600h后,涂覆HY5涂层的单晶高温合金基体中形成了互扩散区IDZ,互扩散主要由Cr,Ni元素从基体向高温抗氧化涂层的外扩散以及Al元素从高温抗氧化涂层向基体的内扩散构成;在涂层下方60μm左右有拓扑密堆相TCP析出,并形成二次反应区SRZ。

NiCoCrAlYTa涂层/镍基单晶高温合金界面再结晶

采用低压等离子喷涂技术在镍基单晶高温合金上制备了NiCoCrAlYTa涂层,通过不同的真空热处理和预处理制度研究其对涂层/镍基单晶界面的影响。结果表明,1080℃真空热处理界面扩散带均产生胞状再结晶体,而1000℃和850℃无再结晶产生。预处理时喷砂压力大于0.2MPa,在1080℃,6h热处理后再进行850℃,24h时效处理界面扩散带均产生再结晶体,无喷砂时无再结晶产生。同时热处理后界面处出现元素的相互扩散及富Ta的Ni2Ta和Cr2Ta相,Ta在胞状晶内偏聚。

基于冷喷涂工艺的Mg-Zn-Al-Sn-Mn合金防腐Al涂层制备

采用冷喷涂技术在Mg-Zn-Al-Sn-Mn合金表面制备Al涂层,以提高其耐腐蚀性能。研究工作气体温度和压力对Al涂层显微组织和腐蚀行为的影响。结果表明,随着气体温度和压力的升高,Al涂层的致密度和厚度均明显增加。高的气体温度能降低颗粒沉积的临界速度,并提高沉积效率。高的气体压力不仅提升机械结合质量,而且对沉积的涂层具有较强的夯实作用。由于孔隙的减少,Al涂层的耐蚀性随着气体温度和压力的升高而提高。Al(OH)_(3)和Al_(2)O_(3)等腐蚀产物可以堵塞涂层中的孔隙,并作为阻碍腐蚀的物理屏障,从而有效保护Mg合金免受腐蚀。

Ni,Co元素对FeCrAlCu系高熵合金涂层组织和耐磨性能的影响

为了解决金属零件表面的防护问题,采用冷喷涂辅助感应重熔合成高熵合金涂层的方法,在45#钢基体表面制备FeCrAlCu,FeCrAlCuNi,FeCrAlCuCo,FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层,通过XRD,SEM,EDS,TEM,磨擦磨损试验机等,研究Ni,Co元素添加对FeCrAlCu系高熵合金涂层的相结构、显微组织以及耐磨性能的影响。结果表明:FeCrAlCu系高熵合金涂层均为FCC+BCC相构成,其中Ni元素添加可以促进FCC相形成,Co元素添加促进B2相(AlCo)生成。FeCrAlCu系高熵合金涂层组织均为树枝晶,随着Ni,Co元素的同时添加,涂层中的枝晶数目增加,并明显粗化。Ni,Co元素同时添加时,FeCrAlCuNiCo高熵合金涂层的摩擦性能最佳,涂层的硬度为565.5HV,摩擦因数为0.349,磨损率为3.97×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1)。