电泳共沉积NiCoCrAlY粘结层制备及抗高温氧化研究

目的 分析研究Ni基合金与粘结层之间的扩散和界面反应规律,以及其对热障涂层的抗高温氧化性能和工作寿命的影响.方法 采用电泳共沉积、真空致密化处理,在K17镍基高温合金表面制备NiCoCrAlY粘结涂层,并进行1000℃×100 h抗高温氧化实验,采用XRD、SEM、EDS分析NiCoCrAlY粘结涂层在高温氧化过程中合金元素的扩散规律.结果 高温氧化动力学曲线表明,氧化100 h制备的NiCoCrAlY粘结涂层的氧化速率为17.2134 mg/cm2,远低于K17镍基高温合金的.Ni由涂层向基体内扩散,Cr和Co向外扩散,Al向界面处扩散.电泳沉积制备的NiCoCrAlY粘结层经真空致密化处理后,涂层均匀、致密,粘结层主要由Ni3 Al、Al3 Y5 O12、Cr23 C6以及α-Al2 O3等组成.结论 NiCoCrAlY粘结涂层的抗高温氧化性高于K17镍基高温合金,在高温氧化过程中,α-Al2 O3氧化膜提高了NiCoCrAlY粘结涂层的高温抗氧化性.Ti主要来自基体的缺陷中,随着高温氧化作用,获得了由基体向外扩散所需要的能量,并且同时与氧反应生成TiO,TiO容易在粘结层表面形成泡状物质,Ti的扩散对粘结层的致密度与均匀度造成一定的影响.     

超音速等离子弧喷涂ZrO_2/CoNiCrAlY热障涂层界面高温氧化性能研究

采用超音速等离子弧喷涂设备在35Cr Mo钢基体上制备了Zr O_2/Co Ni Cr Al Y热障涂层,并将涂层加热到1 150℃进行氧化试验。利用扫描电子显微镜和X射线衍射方法对涂层的组织结构和相组成进行了分析,并对元素扩散情况进行研究。结果表明,涂层组织致密,界面结合良好,无剥落;粘结层表面存在少量尖角和钩状突出颗粒。热障涂层经过1 150℃加热后,在粘结层与陶瓷层的界面处出现少量深颜色的热生长氧化物(thermally grown oxide,简称TGO);随着氧化时间的延长,TGO层厚度明显增加并且开始连续。通过对Zr O_2-8Y2O3/Co Ni Cr Al Y界面扫描发现,该处Al元素出现了的富集峰,而Cr和Ni元素的含量远小于金属黏结层中含量,并且Cr和Ni元素的变化趋势为沿界面呈梯度下降,TGO层由亚稳态的θ-Al2O3逐渐转变为稳定态的α-Al2O3,有效地提高了涂层的抗高温氧化性能。     

ZrO_2(ZrB_2)活性扩散障界面演变行为的研究（英文）

采用电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)技术在镍基单晶合金Rene N5基体上制备出N5/(ZrB_2+ZrO_2)/Ni Cr Al和N5/ZrO2/NiCrAl两组试样。然后,同时对其进行900℃/5 h恒温氧化和1000℃/250 h、1000℃/300 h及1000℃/350 h循环氧化,并采用SEM、EDS分析方法研究了界面演变行为及退化失效行为,结果表明,Zr B2的加入对活性扩散障界面反应的生成速率有一定的延缓,但不影响具有阻扩散功能的Al2O3扩散障层的最终形成;并且,Zr B2的加入提高了活性扩散障结构的服役寿命,改变了活性扩散障结构的失效方式。     

SiC纤维表面扩散障碍涂层对SiCf/Ni复合材料界面反应的影响

分别采用高温氧化和真空电弧离子镀法在SiC纤维表面制备出C-Al2O3和SiO2-Al2O3复合涂层,通过真空热压法制备出SiCf/Ni复合材料.经过850-950℃,150 h真空热处理后,复合涂层很好地保护了纤维的完整性,涂层中的Al2O3层与基体Ni界面结合良好,有效地阻挡了SiCf/Ni界面处元素互扩散.C-Al2O3涂层的C层出现了扩散现象,但涂层基本保持完整;SiO2-Al2O3涂层中SiO2层与纤维结合界面处萌生裂纹.C-Al2O3与SiO2-Al2O3复合涂层相比具有更好的阻挡界面处元素互扩散的作用.     

电弧离子镀沉积Cr-O-N活性扩散阻挡层

采用电弧离子镀技术在NiCoCrAlY涂层与高温合金基材DSM11间沉积不同成分的Cr-O—N薄膜作为扩散阻挡层，研究了900℃下氧化1400h后DSM11／Cr—O—N／NiCoCrAlY体系中Cr-O-N层阻挡合金元素互扩散的行为以及阻挡层对涂层氧化动力学曲线的影响．结果表明，Cr-O-N层在高温氧化过程中生成与涂层和基材有良好结合的富Al氧化物层，可以阻挡DSM11基体与NiCoCrAlY涂层间的元素互扩散，起到活性阻挡层的作用；Cr-O-N层中。和N含量影响生成富Al氧化物层的连续性和致密性，从而影响其阻挡元素互扩散的性能．几种成分的Cr-O-N活性扩散阻挡层对NiCoCrAlY涂层900℃下的高温氧化性能都有一定的改善作用，改善程度与阻挡层阻挡合金元素互扩散的程度保持一致．     

1Cr18Ni9Ti热浸镀铝扩散层的的抗氧化性

通过高温氧化实验,测定出1Cr18Ni9Ti热浸镀铝前后的氧化增重,分析了扩散层的微观结构和表面氧化产物的物相组成。结果表明：1Cr18Ni9Ti热浸镀铝后的抗氧化温度可达1100℃,扩散层中Fe2Al5退化成FeAl后β-NiAl将发挥抗氧化使用,α-Al2O3相的形成是使材料抗高温氧化性提高的主要原因。     

Pd-Ni-Al涂层的高温短期氧化行为

在M38镍基高温合金上电镀Pd-20 mass%Ni合金，采用低压固体粉末包埋渗铝方法制备钯改性铝化物涂层，XRD分析表明，涂层主要由β-(Ni,Pd)Al相组成.利用TGA、SEM等方法，研究了涂层在800℃、900℃和1100℃的高温氧化行为表明，β-(Ni,Pd)Al涂层恒温氧化动力学遵循抛物线规律；1000℃氧化动力学则不遵循抛物线规律.在800℃和900℃下，β-(Ni,Pd)Al 涂层表面氧化产物包括α-Al2O3、θ-Al2O3和少量的γ-Al2O3；在1000℃下，涂层表面存在α-Al2O3和θ-Al2O3两种氧化物；在1100℃下，涂层表面氧化产物主要是α-Al2O3.此外，在各温度下涂层表面的氧化产物中都含有少量的TiO2，随着温度升高，其含量增加.     

不同加热环境下钛表面Ni/Al涂层制备与高温氧化性

目的 研究大气与真空加热处理后Ni/Al涂层的金属间化合物析出规律,以及扩散层的生长速度,从而确定涂层的抗氧化性能。方法 分别采用电弧喷涂技术和等离子喷涂技术在纯钛基体表面制备Ni/Al涂层。将样品分别在大气条件和真空条件下进行加热处理,使Ni/Al涂层原位反应生成Ni-Al金属间化合物,并进行涂层抗氧化性试验。结果 Ni/Al涂层在大气环境700 ℃加热处理后,形成以Al2O3、Ni2Al3和富Al相NiAl3相为主的扩散层;在真空环境700 ℃加热处理后,形成以Ni2Al3、NiAl3相为主的扩散层。通过扩散反应动力学分析发现,真空热处理比大气热处理后Ni和Al之间的反应扩散系数更高,扩散系数为89.731 μm²/h。氧化增重试验表明,真空处理后,Ni/Al涂层由于金属间化合物层较厚,且具有大量的高熔点的Ni2Al3相,并且经过800 ℃下氧化200 h后,涂层未发生失效。结论 真空环境下加热处理原位反应后,Ni/Al复合涂层的扩散速率更高,更容易形成Ni-Al金属间化合物,获得更厚的金属间化合物层。与大气热处理相比,经过真空热处理后的涂层有更良好的抗高温氧化能力。     

Cr3C2/Ni3Al复合材料的高温稳定性

通过对Cr3C2/Ni3Al复合材料在1000℃进行长期时效和氧化实验,分别考察了该材料的高温相稳定性和化学稳定性.结果表明,经1000℃长期时效后,Cr3C2/Ni3Al复合材料中的Cr3C2强化相保持稳定,而基体中则析出一定量的γ相,该相的析出强化了Ni3Al基体,从而使得复合材料的硬度得到进一步提高.Cr3C2/Ni3Al复合材料具有优良的高温抗氧化性能,其表面形成以α-Al2O3为主的致密氧化膜,在空气中的氧化速率仅为Ni3Al合金的1/2.分析认为,Cr3C2在堆焊过程中发生溶解,导致部分Cr固溶于Ni3Al合金基体中,促进了α-Al2O3的形成,从而改善了复合材料的抗氧化性.Cr3C2具有良好的高温化学稳定性并与Ni3Al基体有较好的氧化协同性,从而可得到基体有力支撑以发挥抵抗磨损的作用.优良的高温稳定性使得Cr3C2/Ni3Al复合材料适于在1000℃的高温环境下长期服役.     

热处理气氛对ZrO_2活性扩散障/NiCrAl涂层界面反应的影响

为研究ZrO2活性扩散障的形成机制,采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)在DD5镍基高温合金表面分别沉积ZrO2先驱层与NiCrAl涂层,分别在真空条件和大气条件下对试样进行温度为700,800及900℃,时间为5h的高温热处理。分析了试样的截面形貌、扩散反应区厚度以及ZrO2/NiCrAl涂层界面处的元素分布,并研究了热处理气氛对ZrO2/NiCrAl涂层界面反应的影响。结果表明:真空条件更有益于界面反应的进行,并发现经过900℃热处理5h后,ZrO2活性扩散障/NiCrAl涂层界面之间形成了致密的Al2O3阻挡层;而在大气气氛下,NiCrAl涂层中部分Al元素向表面扩散形成氧化膜,从而影响了ZrO2/NiCrAl涂层的界面反应。     

Al_(0.5)CrCoFeNi高熵合金高温氧化的研究

采用真空电弧炉在氩气保护下熔炼Al0.5Cr Co Fe Ni高熵合金,在不同温度(800~1100℃)下进行100 h的高温氧化实验,测定其氧化动力曲线,采用X射线衍射仪和扫描电镜等方法分析氧化层结构和形貌。结果表明:Al0.5Cr Co Fe Ni高熵合金在800和900℃形成的氧化膜较完整且致密,具有较为优异的抗氧化性能。在1000和1100℃形成的氧化膜较厚,膜内有大量裂纹与孔洞,抗氧化性能较差。氧化初期,界面反应起主导作用,随着氧化膜的生长,扩散过程发挥越来越重要的作用,成为继续氧化的控制因素,以致一种或多种合金元素氧化物在表面析出,形成尖晶石类内层氧化物Ni Cr2O4、Co Cr2O4、Fe(Cr,Al)2O4内氧化层。在高温氧化过程中,N2会参与反应,与Al发生较强反应,生成Al N颗粒,进一步的氧化过程使Al N再次氧化,N2逃逸,留下具有Al N外形的空洞。     

铁基合金基底热喷涂热障涂层的界面化合物演化

分别用超音速氧燃料工艺和大气等离子工艺在球墨铸铁QT-500上制备热障涂层的粘结层与陶瓷层。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和Cr3+荧光光谱表征热障涂层随着高温氧化服役进行界面化合物演变规律。研究表明,热障涂层的粘结层/陶瓷层界面上层(CS层)由(Co,Ni)(Co,Al)2O4和Co3O4组成,其下层为Al2O3;用面积法分析了CS层和Al2O3层厚度的变化规律;粘结层/基底合金界面的热生长氧化物为层状和块状交替分布的形貌,其成分主要为Al2O3。1050℃+15 h高温氧化后,粘结层/陶瓷层界面残余压应力随θ-Al2O3→α-Al2O3相转变完全达最低值,然后其残余压应力略有升高,这与大量生长的Co3O4和尖晶石类氧化物有关。     

电弧离子镀沉积Al(Cr)-O-N扩散阻挡层的研究

采用电弧离子镀方法在高温合金DSM11基材上沉积Al-O-N和Cr-O-N薄膜，研究了不同O2，N2流量对薄膜相结构的影响以及高温下DSM11／NiCoCrAlY，DSM11／Al-O-N／NiCoCrAlY和DSM11／Cr-O-N／NiCoCrAlY体系的元素互扩散行为。实验结果表明，Al(Cr)-O-N薄膜均为多晶膜，分别具有α-Al2O3 六方AlN和Cr2O3 CrN的相结构，随着N2，O2流量的改变，两相的相对含量发生变化。在1050℃下氧化100h后，Al-O-N层阻挡基体与涂层间元素互扩散的作用优于Cr-O-N层。扩散阻挡层对涂层的氧化动力学影响不大。     

铜表面Ni2Al3涂层高温抗氧化性能与组织转变研究

以铜为基体,采用电镀镍和浆料包渗铝法制备出Ni2Al3渗层.研究了900℃下空气中不同氧化时间,Ni2Al3渗层的高温抗氧化性能与组织转变行为.结果表明:经电镀Ni及随后800℃×12h浆料包渗铝,可在铜表面获得厚度为250μm、物相单一的致密Ni2Al3渗层.900℃氧化实验过程中,氧化时间在100h内,渗层表面X射线衍射分析中,没有Al2O3相衍射峰产生,Ni/Ni2Al3界面的Ni2Al3,相首先转变为NiAl相,并且NiAl相随时间延长而增厚;超过150h后,在渗层中Al2O3相出现衍射峰,同时Ni2 Al3相全部转变成NiAl相.在高温氧化过程中渗层无明显剥落现象,到250h时渗层仍具有良好的抗高温氧化性能,渗层表面由NiAl相和Al2O3相组成.     

一种可内生Al_2O_3扩散障的δ-Ni_2Al_3-Cr_2O_3/Ni-Cr_2O_3涂层体系

通过对Ni-Cr2O3复合镀层620℃部分渗铝制备了δ-Ni2Al3-Cr2O3/Ni-Cr2O3涂层体系。Cr2O3颗粒在渗铝的过程中和Al反应生成更为稳定的Al2O3。1000℃恒温氧化20 h后发现,铝化物涂层和复合镀层内掺杂的Cr2O3颗粒完全转化为Al2O3,并在铝化物涂层/Ni镀层界面自发形成了一层Al2O3富集层,该富集层起扩散障作用,阻碍铝化物涂层因互扩散所致的退化。     

一种含铝奥氏体不锈钢的高温氧化行为

采用称量法研究了新型Cr21Ni35NbAl合金分别在700 ℃、800 ℃和900 ℃空气中的静态氧化行为,并绘制其高温氧化动力学质量增加曲线。结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）及能谱分析（EDS）对高温氧化膜层的形貌及结构进行表征。结果表明：新合金的高温氧化动力学质量增加曲线遵循抛物线规律,700 ℃氧化膜主要为(Fe0.6Cr0.4)2O3和少量Al2O3;800 ℃氧化膜较为复杂,主要为Al2O3、(Al0.9Cr0.1)2O3和少量Fe(Cr, Al)2O4;900 ℃时氧化膜主要为Al2O3和少量(Al0.9Cr0.1)2O3。     

高温扩散对0Cr18Ni10Ti热浸镀铝抗高温氧化性能的影响研究

采用熔剂法对0Cr18Ni10Ti热浸镀铝。通过高温热重分析仪对热浸镀铝试样、热浸镀铝经扩散退火处理后的试样及0Cr18Ni10Ti不锈钢试样900℃×24h短期氧化行为进行了研究,采用EDS、SEM对截面进行了能谱分析及形貌观察,利用XRD对表面进行了物相分析。研究结果表明,热浸镀铝经950℃×2 h高温扩散试样及不锈钢900℃×24 h氧化动力学曲线均符合抛物线规律,热浸镀铝经950℃×2 h高温扩散提高了0Cr18Ni10Ti不锈钢的抗高温氧化性,Fe Al金属间化合物具有较好的抗高温氧化性能。热浸镀铝未经950℃×2h高温扩散,试样表层富铝层较疏松。     

DZ445镍基高温合金高温长时间氧化形成的多层膜结构

研究了高Cr/Al比和中Ta含量的DZ445镍基高温合金在900℃下300～2600 h的氧化行为。结果表明,900℃氧化≥500 h,氧化膜呈现多层结构,最外层氧化物相为NiCr₂O₄、Cr₂O₃和TiO₂,次外层为CrTaO₄和TiO₂,次内层为Al₂O₃、NiCr₂O₄和NiO,最内层主要是Al₂O₃。次外层和次内层的出现使得合金氧化速率降低,表现为动力学方程的指数大幅度增加和氧化速率常数急剧下降。这2层的出现也使得合金氧化机理发生转变,次外层形成后氧化过程由合金元素Cr、Ti、Ni向外扩散转变为由Al的向外扩散和O的向内扩散所控制;次内层形成后,氧化过程转变为Ni、Cr的向外扩散和O的向内扩散所控制。这种多层氧化膜结构使得DZ445合金表现出优异的抗氧化能力。     

TC4合金双辉等离子渗Cr高温氧化行为

研究了双层辉光等离子渗Cr对TC4合金650、750、850℃恒温氧化性能的影响。结果表明：渗Cr后,表面梯度合金层显著提高了TC4合金的高温氧化性能,Ti-Cr互扩散层可有效阻止氧向基体扩散。氧化过程中,Ti、Cr向外扩散形成TiO2/Cr2O3氧化膜,其形态与氧化温度有关。850℃氧化100 h后,渗Cr试样表面形成致密Cr2O3膜,恒温氧化性能优于NiCrAlY热障涂层。     

热障涂层TGO层的残余应力分析

用HVOF(CoNiCrAlY)+SFPB+APS(8YSZ)制备热障涂层,经1000℃高温氧化2,26,310h后,用EDS和拉曼荧光光谱对涂层进行分析。高温氧化2h,首先生成的是γ-Al2O3,此后,γ-Al2O3向α-Al2O3转化。拉曼荧光光谱检测和理论计算表明,高温氧化过程中,TGO中的微观热生长残余应力先增加后降低,310h高温氧化后微观热生长残余应力比26h高温氧化后的低0.476GPa。SFPB技术使粘结层表层区域产生扩散通道,高温氧化的瞬态阶段,大量比Al3+半径大的其它离子通过此扩散通道,抑制了γ→θ→α的相变。最终形成了以α-Al2O3为主相的TGO抗高温氧化层。