发动机排气门新型抗高温氧化涂层研究

目的提高排气门材料21-4N合金的抗高温氧化腐蚀性能和抗开裂剥落性能,提高排气门的服役性能,延长使用寿命。方法利用两步循环喷雾热解技术在21-4N合金表面制备(Al_2O_3-Y_2O_3)/YSZ层状陶瓷复合涂层,通过扫描电镜和能谱对涂层形貌和成分进行分析,通过循环氧化腐蚀实验评价涂层的抗高温氧化腐蚀性能和抗开裂剥落性能,通过划痕测试来评价涂层的结合强度。结果该层状复合涂层厚度均一、结构致密清晰,在900℃高温循环氧化100 h的实验中,该涂层样品的质量增加量和剥落量分别为0.3025和0.06 mg/cm~2,远低于无涂层21-4N合金的质量增加量和剥落量,具有优异的耐高温氧化腐蚀性能。该复合涂层的膜基结合力达到40 N,远高于21-4N合金表面氧化膜的结合力,能够满足排气门实际应用工况要求。结论采用两步循环喷雾热解技术在21-4N合金表面制备的(Al_2O_3-Y_2O_3)/YSZ层状复合涂层,能够有效提高排气门材料的抗高温氧化腐蚀性能,并具有优异的结合力。     

溶胶-凝胶法制备Al2O3-ZrO2微叠涂层及其抗高温氧化行为

采用溶胶-凝胶(sol-gel)法在不锈钢表面制备Al2O3-ZrO2微叠涂层.微观组织形貌表明,涂层表面平整,厚度均匀,经过8次提拉及后续热处理获得的总厚度约为150 nm.高温氧化结果表明,所制备的Al2O3-ZrO2微叠涂层能够结合ZrO2涂层与金属基体热匹配性能好以及Al2O3涂层的氧扩散系数低的优点,表现出比二者更好的综合抗高温氧化及抗剥落性能.此外,Al2O3层和ZrO2层的排列组合模式对Al2O3-ZrO2微叠涂层的抗高温氧化性能也产生一定的影响,对于总层数和组分层数相同的体系,相邻氧阻挡层的厚度越大,微叠涂层的抗高温氧化性能越好.     

溶胶-凝胶复合料浆热压滤法制备Al2O3-ZrO2-Y2O3复合涂层

在Fe-18Cr-8Ni不锈钢表面涂覆由纳米α-Al2O3颗粒、微米ZrO2-8wt%Y2O3(YSZ)颗粒和Al(OH)3-Y(OH)3溶胶-凝胶(sol-gel)组成的复合料浆层,采用热压滤法制备Al2O3-ZrO2-Y2O3复合涂层.为了匹配陶瓷涂层和金属基体间的热膨胀系数,采用sol-gel法在两者之间施加一层ZrO2-8wt%Y2O3过渡层.SEM分析结果表明,获得的陶瓷涂层厚度大于30μm,无裂纹.XRD分析结果表明,该陶瓷涂层主要由t-Zr0.92Y0.08O1.96和α-Al2O3以及少量t-ZrO2和γ-Al2O3相组成.900℃高温氧化实验结果表明,Al2O3-ZrO2-Y2O3复合涂层能够有效提高Fe-18Cr-8Ni基体的抗高温氧化和抗剥落性能.     

溶胶凝胶法制备GH3039合金表面YSZ-Al_2O_3复合涂层的高温抗氧化性能

采用溶胶凝胶法,在GH3039合金表面制备了连续、致密的YSZ-Al_2O_3(YSZ为8wt%Y_2O_3部分稳定的ZrO_2)复合涂层。以GH3039基体和Al_2O_3涂层作为对比,通过1000℃、100 h的等温氧化实验和循环氧化实验研究了YSZ-Al_2O_3复合涂层对GH3039合金基体高温氧化行为的影响。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)分析涂层氧化产物的表面形貌、组织结构及相组成。结果表明,YSZ-Al_2O_3复合涂层具有良好的高温抗氧化性能和抗剥落性能,1000℃等温氧化仅增重0.5 mg·cm~(-2),1000℃循环氧化没有出现明显的剥落;YSZ-Al_2O_3复合涂层氧化产物表面仅出现少量Cr_2O_3;过渡涂层YSZ有效缓解了Al_2O_3涂层和GH3039基体因热膨胀系数不匹配产生的剥落。进一步通过抑制NiCr_2O_4的形成,提高了YSZ-Al_2O_3复合涂层的抗剥落性能。     

钇盐对铝合金表面PEO复合ZrO_2-Y_2O_3涂层组织及耐高温性能的影响

采用改进的等离子体电解氧化(PEO)技术在锆盐体系和锆盐-钇盐体系电解液中制备ZAl Sil2Cu3Ni2合金表面ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层和Y_2O_3-ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层,研究电解液中稀土钇盐Y(NO_3)_3对PEO陶瓷层组织和耐高温性能的影响。通过SEM、XRD等分析方法对陶瓷层的组织结构及相组成进行了分析,并对陶瓷层的隔热性能及高温稳定性进行了测试。结果表明,与ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层相比,Y_2O_3-ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层表面由细小颗粒组成,涂层均匀、致密;锆钇盐体系陶瓷层形成了钇部分稳定锆的固溶体(Y_2O_3和Y_(0.15)Zr_(0.85)O_(1.93)□_(0.07)),并提高了反应温度;Y_2O_3-ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层生长速度大于ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层,其中向外生长厚度明显增大;另外,隔热性能得到提高。Y_2O_3-ZrO_2-Y_2O_3陶瓷层试样经400℃高温氧化处理,其氧化增重曲线呈对数规律,氧化增重量小,表明高温稳定性良好。     

铝合金表面磁控溅射Al-Al_2O_3复合涂层的结构及耐腐蚀性能

用Al和Al_2O_3双靶磁控共溅射工艺在抛光铝合金衬底上制备了Al-Al_2O_3复合涂层,同时制备纯Al涂层作对比。利用X射线衍射仪和场发射扫描电镜研究了Al-Al_2O_3复合涂层的微观结构和形貌,通过划痕实验和电化学腐蚀实验对复合涂层的膜基结合力和耐腐蚀性能进行了测试。结果表明,Al-Al_2O_3复合涂层呈较强的Al(111)择优取向,Al_2O_3相以非晶形式存在。直流功率PDC恒定时,射频功率PRF增大,复合涂层中Al相晶粒更加细化,涂层的平整度和致密度明显提高。Al-Al_2O_3复合涂层与铝合金衬底的结合力良好,可达到43 N。相比纯Al涂层,Al-Al_2O_3复合涂层具有优异的耐腐蚀性,其中PRF=150 W的复合涂层的耐腐蚀性能最佳,腐蚀电流密度为0.0016 m A/cm~2,该值相比纯Al涂层降低了一个量级。     

利用SiO2中间层提高铝化物涂层的高温防护性能

目的提高TiAl合金的抗高温氧化性能。方法采用料浆法和电沉积法在TiAl合金表面制备Al-SiO_2复合涂层。通过静态空气氧化测试评价复合涂层对TiAl合金抗高温氧化性能的影响,利用X射线衍射仪分析高温氧化前后涂层物相组成,借助扫描电子显微镜分析试样表面和截面微观组织和形貌。结果 1000℃氧化过程中,铝化物涂层具有一定的抗高温氧化性能,氧化100 h后增重为10.44 mg/cm~2。然而其表面仍然出现了淡黄色TiO_2氧化层,并且存在裂纹等缺陷,表面涂层物质在热处理过程中与基体组织发生了大量互扩散。Al-SiO_2复合涂层经过100 h氧化后,表面形貌基本保持不变,未观察到裂纹等缺陷,随着Si O_2中间层沉积时间延长,试样的抗高温氧化性能总体呈现上升趋势。-2 mA/cm~2下电沉积300 s制备的SiO_2涂层抗高温氧化性能显著提高,其氧化增重仅为3.03 mg/cm~2。结论 Al-SiO_2复合涂层能够有效地提高TiAl合金的抗高温氧化性能。     

钼合金Si-Cr-Ti-SiC-MnO2涂层的制备与组织性能

目的提高钼合金表面红外辐射性能与高温抗氧化性能。方法将40%Si、20%Cr、5%Ti、5%SiC、30%Mn O_2五种粉末与酒精、粘结剂按比例混合,经高能球磨6 h后制得均匀悬浮的料浆。采用浸涂工艺对预处理的钼合金试样进行料浆涂覆,在1450℃真空烧结0.5 h后制得黑色涂层试样。通过1550℃高温静态氧化试验和高温粒子薄片红外光谱综合实验系统,分别评价涂层抗氧化性能和红外辐射性能,并通过扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对涂层氧化前后的形貌与组织结构进行分析。结果钼合金Si-Cr-Ti-SiC-Mn O_2涂层在700、900℃的法向发射率分别达0.85、0.88,在1550℃高温有氧环境下的静态抗氧化寿命达7 h。原始涂层呈四层复合梯度结构,由外到内分别为SiO_2+Mn3O_4+M5Si3(M指Mo、Cr、Ti)、M5Si3+Mo Si2+SiC+Mn3O_4、Mo Si2、Mo5Si3。高温氧化后,涂层四层复合结构由外到内转变为SiO_2+(Cr,Ti)5Si3+Mn Cr2O_4+Mn3O_4、M5Si3+SiC+Mn Cr2O_4+Mn3O_4、Mo Si2、M5Si3。高温氧化过程中,MSi2高硅化物层逐渐转变为M5Si3低硅化物层,涂层表面形成含Mn Cr2O_4尖晶石相和复合硅化物的致密SiO_2玻璃膜。结论 Si-Cr-Ti-SiC-Mn O_2涂层可有效提高钼合金基体的红外辐射性能和高温抗氧化性能,复合硅化物与硅锰复杂氧化物具有良好的抗氧化性能、高辐射性能和自愈合性能。     

Y_2O_3含量对包埋渗制备Y-Cr-Al涂层组织和抗高温氧化性能的影响

在GH586表面通过粉末包埋渗法制备了Y-Cr-Al涂层。通过改变Y_2O_3含量来探究Y_2O_3对涂层组织和性能的影响,并进行了涂层的氧化试验。随后利用XRD、SEM和EDS对试样氧化前后的相组成、涂层形貌和氧化层形貌进行分析。结果表明:Y_2O_3含量对Al-Cr共渗具有催渗效果,有利于形成致密连续的涂层,且在Y_2O_3含量为2%时,能得到厚度和相组成较为理想的涂层。包埋渗粉末中加入Y_2O_3能使得涂层抗高温氧化性能提高,Y_2O_3含量为2%时,涂层具有最佳的抗高温氧化性能,表面由细小致密的α-Al_2O_3颗粒组成,但Y_2O_3含量为3%时,抗高温氧化性能有所下降。     

新型耐磨耐高温氧化NiCrAlSiC复合涂层的制备及性能研究

采用"电泳+电沉积"两步法在金属基体上先预沉积CrAlSiC电泳层,再电沉积Ni,制备了NiCrAlSiC复合涂层,并制备不含SiC的NiCrAl涂层为对比样品。采用XRD、SEM、EPMA和TEM对复合涂层进行形貌、结构和成分表征,并研究其高温氧化性能和摩擦磨损性能。结果表明:复合涂层致密并与基体结合良好,涂层内颗粒分散均匀。与不含SiC的NiCrAl复合涂层相比,NiCrAlSiC复合涂层的氧化膜由NiO、NiAl_2O_4和Al_2O_3三层结构转变为NiAl_2O_4和Al_2O_3两层结构,且氧化膜更薄;同时,涂层硬度提高26%,磨损速率下降52%,磨损机制由磨粒磨损转变为黏着磨损。SiC颗粒的加入同时提高了NiCrAl涂层的抗高温氧化性能和耐磨性能。     

CeO2颗粒对铌合金表面镀渗复合涂层抗氧化性能的影响

为了提高铌合金的高温抗氧化性,采用化学镀结合包埋渗技术在铌合金表面制备了含有CeO_2颗粒的复合涂层,研究了复合涂层的微观结构和高温抗氧化性能。结果表明,不含CeO_2的Al/Ni涂层以NiAl相为主,Al/Ni-CeO_2涂层则含NiAl、NiAl_3、Al3Nb和CeO_2等相。经1000℃氧化测试,Al/Ni复合涂层氧化50 h后增重为8.0 mg/cm~2,表面主要生成Al_2O_3、AlNbO_4相;Al/Ni-CeO_2复合涂层50 h后氧化增重为4.0 mg/cm~2,表面以Al_2O_3、CeO_2、NiAl、NiAl_3、Al3Nb、AlNbO_4相为主。高温氧化后,2种涂层样品表面均生成连续致密的Al_2O_3膜,涂层与基体结合良好;含CeO_2的涂层,其稀土氧化物主要在Ni膜拖拽力作用下富集于涂层互扩散区。稀土氧化物颗粒的添加细化涂层组织,降低涂层中Al元素的消耗,填补涂层中的孔洞,增强了氧化膜与涂层的粘附力,有效提高了涂层的抗氧化性。     

等离子喷涂NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B_4C复合涂层的摩擦性能

为了研究NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合涂层的摩擦磨损性能,采用化工冶金包覆、离心喷雾造粒和固相合金化技术制备了NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合粉体,并采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合涂层,采用SEM、XRD和摩擦磨损试验机对涂层的结构和性能进行了研究。结果表明,NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合涂层呈典型的层状结构,涂层的主晶相为NiCoCrAlY、B4C和Al_2O_3相。随温度升高,涂层摩擦系数逐渐增大,涂层磨损率先增大后降低。低温下,涂层的主要磨损机制为磨粒磨损和脆性断裂;高温下为磨粒磨损、氧化和金属氧化物的转移。     

含镍和铝的氧化钇稳定氧化锆复合涂层的显微组织和抗氧化性能

在甲烷气氛中,采用电泳沉积技术在尺寸为20 mm×20 mm×3 mm的Inconel600高温合金试样上制备了含镍和铝的氧化钇稳定氧化锆复合涂层,一种热障涂层。通过XRD、SEM和1 100℃氧化试验研究了甲烷气氛和镍与铝的摩尔比对复合涂层(YSZ/(Ni,Al))的微观组织和抗高温氧化性能的影响。结果表明:在甲烷气氛中1 100℃烧结2 h后,YSZ/(Ni,Al)复合涂层中形成了ZrC,能提高涂层的致密度和抗高温氧化性能; YSZ/(Ni,Al)涂层中AlNi_3相在1 100℃氧化生成Al_2O_3相,将填充涂层中的孔洞和裂纹,并促进其自愈合,从而进一步提高了涂层的抗高温氧化性能。镍与铝的摩尔比为1∶3和1∶2的YSZ/(Ni,Al)复合涂层具有良好的抗高温氧化性能。     

等离子喷涂NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B_4C复合涂层的摩擦性能北大核心CSCD

为了研究NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合涂层的摩擦磨损性能,采用化工冶金包覆、离心喷雾造粒和固相合金化技术制备了NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合粉体,并采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合涂层,采用SEM、XRD和摩擦磨损试验机对涂层的结构和性能进行了研究。结果表明,NiCoCrAlY/Al_2O_3-30%B4C复合涂层呈典型的层状结构,涂层的主晶相为NiCoCrAlY、B4C和Al_2O_3相。随温度升高,涂层摩擦系数逐渐增大,涂层磨损率先增大后降低。低温下,涂层的主要磨损机制为磨粒磨损和脆性断裂;高温下为磨粒磨损、氧化和金属氧化物的转移。     

喷涂工艺对MoSi2-Al2O3涂层组织与性能的影响

目的在不锈钢表面制备一种可服役于高温富氧环境中的抗高温氧化防护涂层。方法采用MoSi_2-Al_2O_3团聚烧结粉末为喷涂原料,分别利用等离子喷涂和火焰喷涂两种工艺在310S不锈钢表面制备MoSi_2-Al_2O_3抗高温氧化涂层。采用SEM、EDS、XRD和粗糙度测量仪分析涂层的组织结构,使用拉伸法检测涂层的结合强度,采用高温氧化实验表征涂层的抗高温氧化性能。结果等离子喷涂涂层中的粉末熔化程度较火焰喷涂涂层更高,涂层呈现致密的堆叠结构且Si、O元素分布更为均匀。等离子喷涂涂层的结合强度为24.25 MPa,较火焰喷涂涂层提高了约68%。经1200℃高温氧化试验后,火焰喷涂涂层出现粉化,氧化剧烈并发生剥落,而等离子喷涂涂层未出现粉化现象,涂层结构完好。在高温氧化过程中,由于等离子喷涂涂层组织致密,可有效避免涂层粉化,均匀分布的Si元素在涂层氧化过程中更易产生SiO_2并对涂层裂纹进行有效填补,阻碍了氧原子向涂层内部扩散,因此涂层抗高温氧化性优异。结论采用等离子喷涂技术能够在310S不锈钢表面制备出组织结构、结合强度及高温性能更好的MoSi_2-Al_2O_3涂层。     

纳米Al_2O_3包覆ZrO_2/Y_2O_3热障涂层的制备及性能研究

将耐热合金钢基体进行活化处理后,以Ni Co Cr Al Y为粘接过渡层,采用等离子喷涂法和喷枪快速喷涂工艺相结合制备包覆复合粉体Al_2O_3-Zr O_2/Y_2O_3和未包覆粉体Zr O_2/Y_2O_3的2种不同厚度的热障涂层材料样品,通过涂层的结合强度试验、涂层微观结构和高温隔热试验比较相同厚度的2种陶瓷涂层的结合强度及隔热效果,并探讨涂层厚度与隔热效果的关系。结果表明:采用纳米Al_2O_3包覆Zr O_2/Y_2O_3粉体制备的热障涂层其结构和性能都优于未包覆粉体Zr O_2/Y_2O_3制备的热障涂层,且该热障涂层隔热性能随涂层厚度的增加而提高,温度越高性能优势越明显。     

稀土掺杂Nd2O3对YSZ/(Ni,Al)复合涂层组织与性能的影响

目的提高YSZ/(Al,Ni)复合涂层与基体的结合强度和抗高温氧化性。方法采用电泳沉积方法在Inconel600高温合金表面沉积YSZ/(Al,Ni)复合涂层和掺杂稀土Nd_2O_3-YSZ/(Al,Ni)(N-YSZ/(Al,Ni))复合涂层,然后进行真空烧结,最后对制备好的热障复合涂层进行划痕实验和等温循环氧化实验。通过对样品进行等温循环氧化实验,获取不同氧化时间段的复合涂层样品,并通过采用SEM和XRD分别对复合涂层形貌和微观结构进行分析。结果在1100℃等温氧化过程中,未掺杂稀土元素复合涂层的氧化增重速率为0.0057 mg/cm~2,而掺杂钕元素的复合涂层的氧化增重速率为0.0046 mg/cm~2,比未掺杂稀土YSZ/(Al,Ni)复合涂层低。N-YSZ/(Al,Ni)热障复合涂层在等温氧化过程中颗粒较小,裂纹少,表面更加致密,并且发生自愈合现象。真空烧结后的YSZ/(Al,Ni)复合涂层和N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层与基体的结合强度大约为4.0 N,在经过氧化100 h后,掺杂稀土的N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层的结合强度为3.26 N,未掺杂稀土钕元素YSZ/(Al,Ni)复合涂层与基体的结合强度为2.6 N。N-YSZ/(Al,Ni)热障复合涂层中存在Nd_2Zr_2O_7相和稳定的NiAl_2O_4相,Nd_2Zr_2O_7相具有良好的稳定性以及耐高温氧化性。结论掺杂稀土氧化钕N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层,在1100℃、空气氛围下等温氧化过程中发生自愈合现象。随着氧化时间的增加,掺杂稀土元素钕的N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层表面的颗粒趋于均匀化,裂纹明显变少,使得涂层更加致密和平整。掺杂了稀土钕元素的N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层与基体之间具有更高的结合强度。在1100℃、空气氛围下等温氧化100 h时,掺杂了稀土钕元素的N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层与基体的结合强度明显大于YSZ/(Al,Ni)复合涂层,提高了N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层的抗剥落性和服役寿命。在1100℃、空气氛围下等温氧化过程中,掺杂稀土元素钕的N-YSZ/(Al,Ni)复合涂层的抗高温氧化性能比未掺杂稀土元素的YSZ/(Al,Ni)复合涂层的抗高温氧化性能显著提高。     

机械合金化制备Ti-Cu非晶涂层

对Ti6Al4V(TC4)合金表面进行机械合金化处理,在Ti6Al4V表面制备Ti-Cu非晶涂层。利用SEM、EDX和XRD等检测手段对涂层的显微组织与物相成分进行分析,通过摩擦磨损试验、显微硬度测试和划痕试验分别对涂层截面的显微硬度、涂层的摩擦耐磨性能及结合强度进行分析测试。分析结果表明:适当延长球磨时间可提高涂层的非晶化程度和致密度;当球磨时间达到11 h时,涂层最为致密,涂层厚度为40μm,且此时涂层与基体之间发生元素互扩散而形成冶金结合;涂层截面的显微硬度呈梯度变化,涂层的显微硬度最大值达593 HV0.1;涂层的摩擦因数和磨损量均较TC4基体的有显著减小,球磨11 h后,涂层的摩擦因数为0.18,磨损量为0.8 mg;涂层的结合强度亦随着球磨时间的延长而增加,球磨11 h后,涂层结合强度为44.6 N。     

磁控共溅射沉积Al-Al_2O_3复合膜的结构与性能

用直流(DC)和射频(RF)磁控共溅射法在硅衬底上制备Al-Al_2O_3复合膜,用射频磁控溅射Al_2O_3膜作对比。通过XPS、XRD、HRTEM、FESEM和SPM研究了Al-Al_2O_3复合膜和纯Al_2O_3膜的微观结构和表面形貌,用纳米压痕仪和材料表面性能测试仪测试了样品的显微硬度和抗摩擦磨损性能。结果表明,当射频功率PRF恒定时,Al-Al_2O_3复合膜中Al相的含量和晶粒尺寸与直流功率PDC呈正比关系,Al的加入使Al-Al_2O_3复合膜中非晶态的Al_2O_3颗粒细化,相比纯Al_2O_3膜,表面粗糙度明显降低,并对复合膜力学性能产生影响。Al-Al_2O_3复合膜的硬度高于纯Al_2O_3膜,并具有更加优异的抗摩擦磨损性。直流功率PDC=50 W时,Al-Al_2O_3复合膜综合性能最佳,硬度达到14.4 GPa,摩擦因数低至0.15。     

多弧离子镀AlTiYN涂层的高温氧化性能及高温摩擦学行为

为研究添加0.76%Y元素对AlTiN涂层结构、高温氧化行为及摩擦学性能的影响规律及作用机制,采用多弧离子镀技术于硬质合金(YG3X)表面沉积AlTiN及AlTiYN涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)研究涂层组织结构;采用纳米压痕仪、划痕仪进行力学性能表征;通过高温氧化试验分析涂层的高温抗氧化性能;利用高温摩擦磨损试验机研究涂层的摩擦磨损行为。结果表明:添加Y元素后,AlTiYN涂层发生晶粒细化、组织结构致密化、硬度及韧性增加、结合强度显著提升。AlTiN涂层经900℃/2 h氧化处理后已完全氧化;而AlTiYN涂层经900℃/2 h氧化处理后未完全氧化,氧化层厚度为1.1μm,表明添加Y元素可以增强AlTiN涂层的高温抗氧化能力。此外,AlTiYN涂层在900℃下其摩擦因数及磨损率均低于AlTiN涂层,表明添加Y元素可有效增强涂层高温耐磨损性能。