Nb-Si基超高温合金制备技术及抗氧化硅化物渗层

Nb-Si基超高温合金具有高熔点、适中的密度、良好的高低温力学性能等特征,有潜力应用于1200~1 450℃高温,但其抗氧化性能较差。综述了该合金的成分特点、制备方法、特别是其抗氧化硅化物渗层的制备方法、组织特点及其氧化行为。重点介绍了该合金的整体定向凝固方法及其组织特点。开发了Al,Y,Cr,B,Ce,Zr,Ge等单元以及多元联合改性的NbSi2基硅化物涂层体系,其中多种涂层体系经1250~1350℃恒温氧化100~200 h或1 250℃~室温循环氧化100次后仍对基体合金具有优异的保护能力。其中最具有代表性的是采用Si-Al-Y2O3包埋共渗在Nb-Si基超高温合金表面制备的Y,Al二元联合改性硅化物渗层。Al对渗层氧化行为的改性体现于对氧化膜组织结构的影响,即合适的Al含量可促使在渗层(Nb,X)Si2外层的表面优先生成SiO2,从而形成以SiO2·Al2O3为主的致密氧化膜。     

TC4合金表面Y改性铝化物涂层的组织及高温氧化性能北大核心CSCD

为提高TC4合金的抗高温氧化性能。采用在900,940和980℃扩散渗2 h的方法在TC4合金表面制备了Y改性的铝化物渗层,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪及能谱仪分析了渗层的结构及相组成,研究了渗层在1000℃时的抗氧化性能,讨论了其氧化机制。结果表明:不同温度所制备的渗层主要组成相均为Al3Ti,此外在900℃制备渗层中含有少量的Al23V6,在940,980℃制备渗层中分别检测到了Al2Ti3及Al2Ti相;渗剂中添加Y能够降低涂层的内应力,抑制渗层中裂纹的产生。940℃共渗2 h制备的Y改性Al化物渗层在1000℃氧化50 h后表面形成了致密的Al2O3氧化膜,显著的提高了TC4合金的抗高温氧化性能。     

TC4合金表面Y改性铝化物涂层的组织及高温氧化性能

为提高TC4合金的抗高温氧化性能。采用在900,940和980℃扩散渗2 h的方法在TC4合金表面制备了Y改性的铝化物渗层,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪及能谱仪分析了渗层的结构及相组成,研究了渗层在1000℃时的抗氧化性能,讨论了其氧化机制。结果表明:不同温度所制备的渗层主要组成相均为Al_3Ti,此外在900℃制备渗层中含有少量的Al_(23)V_6,在940,980℃制备渗层中分别检测到了Al_2Ti_3及Al_2Ti相;渗剂中添加Y能够降低涂层的内应力,抑制渗层中裂纹的产生。940℃共渗2 h制备的Y改性Al化物渗层在1000℃氧化50 h后表面形成了致密的Al_2O_3氧化膜,显著的提高了TC4合金的抗高温氧化性能。     

Nb-Si基合金高温抗氧化研究进展

Nb-Si基合金具有适中的密度和超高的使用温度,是下一代发动机叶片及高温热端部件的有力竞争者之一,但Nb-Si基合金的高温抗氧化性能不足限制了其应用。主要综述了合金化和硅化物涂层在Nb-Si基合金中的研究进展。在此基础上着重综述了掺杂不同合金元素对Nb-Si基合金中硅化物、抗氧化相和氧化膜的影响,包括提升硅化物相高温氧化能力、促进Al2O3和Cr2Nb形成以阻碍氧原子扩散、通过稀土元素形成黏附性特别高的氧化物以防止氧化层脱落等方面。除此之外,综述了硅化物涂层(MoSi2和NbSi2)的研究进展,包括可通过降低硼硅酸盐的黏度和致密的SiO2薄膜提高Nb-Si基合金的抗氧化性能,并介绍了元素改性硅化物涂层提升SiO2流动性的效果。最后,对该方向的研究进展进行了总结,并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。     

包埋渗技术在镍基高温合金中的应用

包埋渗是一种应用广泛的表面防护技术,包埋渗制备的渗层具有均匀性好、渗层致密、与基体粘结性好等优点,可为高温下服役的零件提供抗高温氧化及热腐蚀防护。文章简要介绍了镍基高温合金包埋渗剂的组成,系统阐述了表面渗层材料体系从单组元渗铝到多组元共渗的研究进展,对比了渗Al,Al-Co、Al-Si、Cr-Al、Pt-Al等二元共渗以及稀土复合渗等不同渗层体系对涂层高温综合性能的影响,并对稀土在包埋渗技术的作用机理进行了探讨,展望了包埋渗技术的发展方向。     

NbSi基原位复合材料表面包埋渗制备SiCrY共渗涂层

通过热力学计算分析了分别使用NH₄Cl和CrCl₃·6H₂O两种不同激活剂时, 各个共渗元素的卤化物蒸汽压分压的变化, 得到了实现Nb-Si基原位复合材料上Si-Cr-Y三元包埋共渗的最佳条件。采用包埋共渗法在Nb-Si基原位复合材料表面制备了Si-Cr-Y共渗涂层, 研究了涂层的组织形貌、 成分及其相组成。结果表明: 使用NH₄Cl做激活剂, 通过调整包埋渗料的成分, 可以在适当的温度下实现Si-Cr-Y的三元共渗。当渗料成分为12Cr-6Si-0.75Y₂O₃-5NH₄Cl-76.25Al₂O₃(质量分数)时, 在1350℃可以实现Si-Cr-Y三元共渗。制备的涂层具有多层结构, 分为外层、 内层和明显的互扩散层。互扩散层的存在, 表明涂层的形成是一个连续生长过程, 伴随着Cr、 Si、 Y元素向基体内的扩散。涂层的主要成分由Cr₂(Nb,Ti)、 (Nb,Ti)₅Si₃和HfSi₂组成, Y元素的添加起到了细化涂层的作用。     

Y2O3对渗Al—Si涂层抗氧化性能的影响

用无机盐料浆法在镍基高温合金K4104表面制备了渗Al-Si涂层并在制备过程中添加了Y2O3。采用静态氧化增重的试验方法对涂层进行了1000℃×200h抗氧化性试验,用带能谱分析的扫描电镜观察涂层氧化不同时间后的表面形貌和截面形貌及分析涂层的氧化膜和截面成分。用origin软件绘制氧化动力学曲线并拟合出氧化动力学方程。研究结果表明，渗Al-Si具有较好的抗高温氧化性能。Y2O3的添加提高了渗Al-Si涂层的抗氧化性能，提高了渗Al-Si涂层的塑性，改善了氧化膜与涂层间的粘附性。     

熔烧温度对铌钨合金表面硅化物涂层显微组织和抗高温氧化性能的影响研究

硅化物涂层是航天航空用铌合金高温结构部件最常用的高温防护涂层，为了提高硅化物涂层的性能以满足铌合金高温结构部件越来越严苛的服役条件，采用料浆熔烧法在铌钨合金表面制备硅化物涂层，并通过改变涂层熔烧温度(1 350,1 400,1 450,1 500℃),研究熔烧温度对涂层微观结构和抗高温氧化性能的影响。结果表明：4种熔烧温度涂层致密层的主成分为(Nb, X)Si₂(X为Zr、Cr和Ti),过渡层为稳定的Nb₅Si₃;涂层在1 600℃高温下氧化2 h,氧化反应主要发生在表面的疏松层，Si、Zr、Ti、Cr等元素发生了选择性氧化，ZrO₂作为“氧化物钉”弥散在SiO₂玻璃膜中，涂层展现出良好的抗高温氧化性能。熔烧温度为1 350℃样品的抗高温氧化性能最优。     

Nb/NbCr_2合金表面硅化物涂层的高温抗氧化性能

用扩散渗法在Nb/NbCr2合金表面制备硅化物涂层,研究了基体合金和涂层在1250℃的氧化行为。结果表明:在Nb/NbCr2合金表面渗Si所得硅化物涂层由(Nb,Cr)Si2和(Cr,Nb)Si2两相组成,过渡层为(Nb,Cr)5Si3,涂层的生长动力学服从抛物线规律。基体合金在1250℃氧化形成的氧化膜为Nb2O5和CrNbO4交替分布的疏松组织,与基体有剥离现象。渗Si涂层在1250℃氧化形成的氧化膜较为致密完整,与残留涂层结合良好,为SiO2和CrNbO4混合氧化膜,改善了合金的高温抗氧化性能。     

K4104镍基高温合金Al-Si涂层高温氧化过程中的元素扩散分析

采用无机盐料浆法在K4104镍基高温合金表面制备Al-Si涂层。依据GB/T13303-91《钢的抗氧化性能测定方法》标准,采用静态增重法对有涂层试样和无涂层试样进行了1000℃×200h抗高温氧化性能试验,并绘制了氧化动力学曲线。用带能谱扫描电镜对氧化膜的表面形貌和截面组织进行分析,研究有无涂层试样在高温氧化过程中的元素扩散。结果表明:Al-Si涂层和基体合金之间在高温氧化过程中的互扩散形成了厚度为120~140um的渗层。随着氧化时间的延长,外层铝含量逐渐降低,但仍能保持稳定的β-NiAl相。Si在扩散作用下形成内高外低的分布形式,形成的Cr3Si和富Si的M6C相有利于阻止涂层和基体元素之间的互扩散,降低化合物层的形成速度,体现了Al-Si涂层良好的抗高温氧化能力。     

Mo-Si-B系原位复合材料的研究

Mo-Si-B系原位复合材料是一族新型的高温结构材料,目前的研究主要集中在其中的α-Mo Mo3Si Mo 5SiB2(T2)、Mo 5Si3Bx(T1) Mo3Si Mo5SiB2(T2)和Mo5Si3Bx(T1) MoSi2 MoB 3个体系.详细介绍了Mo-Si-B系原位复合材料的研究进展及应用前景,并在此基础上提出了进一步研究的重点和方向.     

电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响

在含有NaAlO2的电解液中以恒电流方式对镁合金进行微弧氧化。研究了电解液中NaAlO2、甘油、NaF的浓度以及电流密度和氧化时间对镁合金微弧氧化过程中电压-时间曲线和氧化膜厚度的影响。结果表明:电解液中只含有NaAlO2时即可产生火花放电现象,但得到的氧化膜较薄;甘油的加入可明显抑制尖端放电现象,NaF的加入可以显著增加氧化膜厚度,随着电流密度的增大,微弧氧化所需起火时间迅速缩短,而击穿电压并无明显变化,氧化膜厚度明显增加。采用扫描电子显微镜观察了镁合金微弧氧化陶瓷膜的微观形貌,在微弧氧化膜的表面存在明显的孔洞和放电通道,这些通道呈熔融状态结合在一起。     

工艺条件对镁合金微弧氧化的影响

在含有Na2SiO3、NaF、甘油及KOH的电解液中以恒电流方式对AZ31B镁合金进行微弧氧化处理，研究了电解液组分、浓度、电流密度及氧化处理时间等对微弧氧化过程及膜层性能的影响．研究表明：随着电解质浓度的增加，起火时间、起火电压基本呈下降趋势，氧化膜厚度呈增长趋势；过量的NaF会抑制放电；甘油的存在可稳定电解液，抑制尖端放电，使膜层的厚度降低；电流密度的增加可以降低起火时间，增加氧化膜的厚度，对放电电压没有明显影响；随着氧化处理时间的延长，氧化膜的厚度不断增长．     

Ultra-high temperature Mo-Si-B alloys — Synthesis, microstructural and mechanical characterization

Molybdenum boron silicides containing between 18 and 31 vol.% α-Mo are prepared by reactive hot-pressing from Mo-Si-B powder mixtures. Their microstructures and mechanical properties are investigated. The multiphase alloys consist of Mo₃Si, Mo₅SiB₂ and discontinuous α-Mo. The results demonstrate that the volume fraction of α-Mo and B content exerts a significant effect on the flexural strength and fracture toughness of the multiphase alloys.     

钼网表面MoSi2涂层的制备及其1500℃高温氧化性能

钼网被广泛用作高温催化剂载体,但关于其高温防护涂层的制备及失效机制却鲜有报道.用包埋渗硅方法在钼网表面制备了MoSi2高温抗氧化涂层,并在静态大气环境中开展了1500℃恒温氧化试验.利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等对氧化前后涂层的微观形貌和组织结构进行了表征.结果表明:1500℃氧化2h,MoSi2涂层中的Si元素会发生选择性氧化,在涂层表面形成一层连续的、具有“自愈合”功能的熔融态SiO2保护膜,阻挡氧向基体一侧的扩散,展现出了良好的高温抗氧化性能;高温条件下,涂层中的Si元素会和钼基体发生界面扩散反应生成抗氧化性能差的Mo5Si3,同时MoSi2不断地和氧发生反应生成Mo5Si3和SiO2,当涂层中的MoSi2完全转化为Mo5Si3,涂层将快速氧化失效.     

微弧氧化处理对多孔Ti-15Mo合金显微结构、耐磨性和耐蚀性的影响

在铝酸盐电解液中对多孔Ti-15Mo舍金进行微弧氧化表面改性.利用SEM和XRD研究多孔舍金微弧氧化涂层的显微结构和相组成.采用显微硬度计、动电位极化曲线和球-盘摩擦磨损仪分析微弧氧化处理对多孔Ti-15Mo合金硬度、耐蚀性和耐磨性的影响.结果表明,微弧氧化处理未改变多孔Ti-15Mo合金原有的孔隙率和孔径,在合金表面和孔隙内壁呈现典型的粗糙多孔微弧氧化形貌.微弧氧化涂层主要由金红石TiO2和Al2TiO5相组成.经微弧氧化处理后,多孔Ti-15Mo合金的表面显微硬度提高了32％,摩擦系数降低了近50％,磨损率大幅度下降,磨损机制由磨粒磨损转变为粘着磨损.微弧氧化处理后多孔Ti-15Mo合金的耐蚀性较基体提高了近1个数量级,微弧氧化陶瓷涂层的保护效率高达90.78％.     

微弧氧化处理对多孔Ti-15Mo合金显微结构、耐磨性和耐蚀性的影响

在铝酸盐电解液中对多孔Ti-15Mo合金进行微弧氧化表面改性。利用SEM和XRD研究多孔合金微弧氧化涂层的显微结构和相组成。采用显微硬度计、动电位极化曲线和球-盘摩擦磨损仪分析微弧氧化处理对多孔Ti-15Mo合金硬度、耐蚀性和耐磨性的影响。结果表明,微弧氧化处理未改变多孔Ti-15Mo合金原有的孔隙率和孔径,在合金表面和孔隙内壁呈现典型的粗糙多孔微弧氧化形貌。微弧氧化涂层主要由金红石TiO_2和Al_2TiO_5相组成。经微弧氧化处理后,多孔Ti-15Mo合金的表面显微硬度提高了32%,摩擦系数降低了近50%,磨损率大幅度下降,磨损机制由磨粒磨损转变为粘着磨损。微弧氧化处理后多孔Ti-15Mo合金的耐蚀性较基体提高了近1个数量级,微弧氧化陶瓷涂层的保护效率高达90.78%。     

放电等离子烧结制备Nb-Si-Ti-Al-Hf-Cr合金的显微组织及力学性能

以预合金化的粉末尺寸D50为3.3μm的NbSS固溶体相细粉末,粉末尺寸D50分别为22.1μm和23.5μm的Nb5Si3和Cr2Nb化合物粉末为原料,采用放电等离子烧结技术制备NbSS/Nb5Si3两相合金和NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金,研究显微组织形貌、室温和高温力学性能及高温氧化性能。结果表明:两相合金的显微组织由NbSS基体和呈均匀岛状分布的Nb5Si3组成,三相合金中NbSS有相互连接成基体的趋势,而Nb5Si3和Cr2Nb相也以块状散布在NbSS中。NbSS/Nb5Si3两相合金和NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相合金的室温断裂韧性值KQ分别达到15.1MPa·m1/2和11.3MPa·m1/2,室温下合金中NbSS相以韧窝型断裂为主,对Nb-Si基合金的室温断裂韧性有利,而Nb5Si3和Cr2Nb相为脆性断裂。1250℃时NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb合金的压缩强度高于NbSS/Nb5Si3合金,但当温度上升到1350℃时两者强度出现反转。Cr2Nb相对合金高温抗氧化性能有利,1250℃下静态氧化100h时NbSS/Nb5Si3合金的氧化增重为233mg/cm2,大于NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb合金的175mg/cm2。     

Effects of sintering aids on the densification of Mo–Si–B alloys

The effects of seven sintering aids (0.5?at.% Ni, Co, Fe, Cr, Zr, Nb, and Pd) on the densification of Mo–Si–B alloys of six different compositions (Mo, Mo–0.2Si, Mo–0.2Si–0.02B, Mo–2.5Si–2.5B, Mo–7Si–5B, and Mo–8.9Si–7.7B?at.%) are systematically investigated. It was found that Ni, Co, and Fe are effective in enhancing densification of Mo–Si–B alloys, and Ni is the most effective sintering aid. This study supports a previously proposed hypothesis that activated sintering results from enhanced mass transport in the sintering-aid-induced quasi-liquid intergranular films (a type of grain boundary complexion). The relative effectiveness of these sintering aids can be rationalized by analyzing several key thermodynamic parameters that control the stability of premelting-like grain boundary complexions. Future studies are needed to develop interfacial thermodynamic models and methods for computing “grain boundary complexion (phase) diagrams” for multicomponent systems, which can be a useful component for the “Materials Genome” project that will enable better predictions of the activated sintering and other materials phenomena.     

氟盐-氧化物体系电解制备Al-Cu-Y合金的电极还原过程研究

采用Na_3AlF_6-AlF_3-LiF-MgF_2为基础电解质,Al_2O_3-CuO-Y_2O_3为原料的氟盐-氧化物体系熔盐电解制取Al-Cu-Y合金。重点通过循环伏安分析Y(Ⅲ)在阴极的电极还原过程,利用扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)表征并对比分析热还原产物及电解产物的成分及物相组成。结果表明:AlF_3-NaF-5%LiF-5%MgF_2(质量分数,下同)(n(NaF)/n(AlF_3)=2.2)体系在温度1 208K、电压3.0V、阴极电流密度0.7A/cm~2、电解时间2h条件下能够制取Al-Cu-Y合金。Cu(Ⅱ)在碳质电极表面可一步直接还原为零价态Cu(0);Y(Ⅲ)不能在体系内直接还原为零价态Y,而是在预先形成的Al-Cu活性阴极表面还原并合金化,从而形成强化相Al_3Y,并与Al_2Cu强化相同时富集于铝基体相晶界。通过在熔盐底部的液态铝热还原CuO及Y_2O_3也可形成Al-Cu-Y合金,但铝基体相晶界富集AlCu相及AlY相,Cu及Y含量不易控制,且存在较多O、C杂质元素。