TC4合金微弧氧化涂层的组织结构与高温氧化行为研究

为了提高TC4合金的高温抗氧化性能,采用微弧氧化方法在NaAlO₂+Na₃PO₄电解液体系中,于钛合金表面制备抗氧化陶瓷涂层。通过XRD、SEM、EDS等方法,表征涂层的相组成和微观结构,用纳米压痕仪测试涂层硬度与弹性模量,并研究了微弧氧化涂层的抗高温氧化及抗热震性能。结果表明：微弧氧化涂层表面多孔,涂层以Al₂TiO₅和金红石型TiO₂相为主。微弧氧化涂层的纳米硬度为(7.8±0.6) GPa,显著高于TC4合金[(4.0±0.2) GPa]。微弧氧化涂层在700℃循环氧化80 h后,单位面积增重仅0.73 mg/cm²,远小于TC4合金的增重(20 mg/cm²),表现出良好的高温抗氧化性能。经700℃热冲击25次后,涂层未出现剥落现象,展现出良好的抗热震性能。由此可见,微弧氧化涂层能有效阻止氧的扩散,显著降低了钛合金基体的氧化速率,改善了钛合金的抗高温氧化性能。     

制备参数对等离子喷涂热障涂层高温冲蚀性能的影响

燃机热端部件热障涂层实际服役过程中不可避免发生高温冲蚀,引起涂层失效。采用等离子喷涂工艺制备不同喷涂距离、不同喷涂功率的热障涂层,并对其进行1 000℃/60°高温冲蚀试验,研究制备参数对热障涂层耐高温冲蚀性能的影响规律。结果表明:42 kW功率制备涂层,随喷涂距离的增加(110,120,130 mm),涂层耐高温冲蚀性能降低,冲蚀率显著增大(31.40,45.11,76.79 mg/g);110 mm喷涂距离下制备涂层,随喷涂功率的增加(39,42 kW),涂层耐高温冲蚀性能提高,冲蚀率减小(58.86,31.40 mg/g);涂层力学性能是影响其高温冲蚀性能的重要因素。     

TC4钛合金表面激光熔覆NiCrCoAlY-Cr3C2复合涂层的摩擦和高温抗氧化性能

为了提高TC4 钛合金表面摩擦磨损和高温抗氧化性能,以 NiCrCoAlY+20%(质量分数)Cr3 C2 混合粉末作为熔覆粉末,采用激光熔覆技术在TC4 钛合金表面制备NiCrCoAlY-Cr3 C2 复合涂层,利用OM,SEM,XRD,EDS等分析涂层的显微组织和物相组成;采用 HXD-1 000TB 显微硬度计测量涂层显微硬度;采用 MMG-500 三体磨损试验机与 WS-G1 50 智能马弗炉对涂层和基体进行摩擦磨损及高温抗氧化实验.结果表明:利用激光熔覆技术在 TC4 钛合金表面可以制备形貌良好、无裂纹和气孔等缺陷的复合涂层.熔覆区显微组织结构致密,多为针状晶和树枝晶;结合区的显微组织主要由平面晶、胞状晶和树枝晶组成,生成了多种可提高耐磨性和高温抗氧化性的碳化物、氧化物和金属间化合物.复合涂层的最高显微硬度为 1344HV,约为钛合金基体 350HV的 3.8 倍;复合涂层的摩擦因数为0.2～0.3,较钛合金基体的摩擦因数0.6～0.7 明显下降;相同条件下复合涂层的磨损失重为0.00060 g,是钛合金基体磨损失重 0.06508 g 的0.9%;恒温 850 ℃氧化 100 h后复合涂层氧化增重为 6.01 mg·cm－2 ,约为钛合金基体氧化增重 25.10 mg·cm－2的24%.激光熔覆技术有效改善了TC4 钛合金表面的摩擦磨损和高温抗氧化性能.     

钛基体上氧化铝膜层的耐高温和耐腐蚀性能研究

钛材高温氧化严重,为了提高其使用性能,采用溶胶-凝胶法在钛合金材料表面制备了耐腐蚀性能优良的三氧化二铝膜层.通过700 ℃下氧化增重的测量、扫描电镜对涂层高温氧化前后表面形貌的观察以及其在3.5%NaCl溶液中的阳极极化曲线测量表明,带涂层的试样在700 ℃、20 h的增重仅有0.028 0 mg/cm2,无涂层的试样增重为1.005 2 mg/cm2;带涂层的试样ΔE=1 203.5 mV,裸露钛合金试样的ΔE=154.6 mV.在钛合金材料表面制备的氧化铝溶胶-凝胶膜层具有提高钛合金材料表面抗高温氧化和耐腐蚀性能的特点.     

PCVD-TiN,TiAlN及TiSiN涂层的抗高温氧化性能

研究了用PCVD法所制备的TiN,TiAlN和TiSiN硬质涂层的抗高温氧化性能及TiN涂层在双氧水介质中的抗氧化性能。结果表明,TiAlN,TiSiN涂层在空气中的抗高温氧化温度达700℃以上,TiN涂层可达600℃。在双氧水介质中,PCVD－TiN涂层仍具有较强的抗氧化能力,且优于PVD－TiN涂层。     

镍基高温合金Pt/Si共改性铝化物涂层的制备及抗高温氧化性能

为研究Si元素对Pt改性铝化物涂层抗高温氧化性能的影响规律,利用电镀Pt和Al-Si共渗包埋法制备出一种Pt/Si共改性铝化物涂层,对涂层进行了1 000℃恒温氧化试验,并采用XRD、SEM、EDS分析了涂层氧化前后的组织结构。结果表明:在Pt改性铝化物涂层中添加Si元素可以降低涂层表面的孔洞,使涂层更加致密、均匀;2种涂层在1 000℃温度下氧化300 h后均有大量的β-(Ni,Pt)Al相残留,依然具备保护基体的作用;Si元素一方面可以降低涂层与基体的互扩散速率,另一方面却加剧了涂层表面氧化皮的剥落;综合看来Si对Pt改性铝化物涂层的抗高温氧化性能提高效果不明显。     

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。     

锆合金表面镀Cr/TiAlN涂层的抗高温水蒸气氧化性能研究

利用多弧离子镀技术在Zr-4合金表面制备了Cr+TiAlN复合涂层。采用多种分析手段研究了涂层在1200℃高温水蒸气环境下的抗氧化性能。利用X射线衍射分析涂层的物相成分;利用扫描电镜观察涂层表面的微观形貌;利用能谱对涂层元素种类与含量进行分析;采用自动划痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果表明:多弧离子镀膜层表面均匀平整、致密度大, 但存在一定数量的微孔洞及大颗粒。镀有Cr/TiAlN涂层试样的氧化速率远低于原始锆合金的氧化速率, 抗高温水蒸气氧化性能优于原始Zr-4合金, 且单位面积的氧化增重量仅为原始Zr-4合金的36%。划痕实验结果表明, 膜基结合力为26 N, 膜基结合性能良好。     

高速电弧喷涂铁基涂层的热震和抗高温氧化性能

采用粉芯丝材和高速电弧喷涂技术(HVAS)成功制备了Fe基涂层,研究了涂层高温性能及相应的组织结构.结果表明:涂层的抗热震以及抗高温氧化能力相当好,涂层经650℃和800 ℃ 30次热震后试样表面基本完好;涂层氧化时氧是在层与层之间扩散的,热震试验时出现的裂纹和涂层脱落均是由层间氧化物引起的;Fe基涂层经800℃、200 h氧化后增重约为10 mg/cm2,抗氧化能力较好,甚至优于某些耐热钢如12CrMoV,主要是因为铬元素形成氧化膜抑制了氧向涂层内部的进一步扩散.     

Fe-5Cr合金表面溶胶-凝胶复合涂层的抗高温腐蚀性能研究

在含氧化铝-氧化钇纳米粒子的胶体中添加氧化铝的微米粒子,借助高能球磨机研磨,将纳米或微米陶瓷粉末均匀地分散在溶胶-凝胶溶液中形成涂覆液;采用浸渍提拉法将溶胶-凝胶涂覆液沉积在Fe-5Cr合金基体表面上,然后通过烧结得到厚的陶瓷涂层。利用SEM及EDS对涂层进行了结构、成分以及表面形貌的分析,用XRD技术对涂层表面的相组成进行了分析。采用氧化增重法研究了Fe-5Cr合金基体材料及其涂层的抗高温氧化及硫化性能。研究结果表明,带有溶胶-凝胶复合涂层的试样在600℃下具有优异的抗高温氧化及较好的抗高温硫化性能。     

CrAlN抗冲蚀涂层制备及性能研究

为提高钛合金材料抗冲蚀性能,利用真空阴极电弧沉积技术在TC11钛合金上沉积CrAlN涂层,研究靶电流、偏压和气压对涂层结构及性能的影响。采用扫描电镜观察膜层表面和截面形貌,金相显微镜对表面的大颗粒进行定量分析;显微硬度计测量膜层的维氏显微硬度;采用喷砂试验机对涂层的抗冲蚀性能进行测试,通过三维表面轮廓仪测量涂层厚度和侵蚀坑的深度;X射线衍射仪表征涂层中的晶体结构。结果表明:靶电流从70A增大到110A,虽可提高涂层的沉积速率,但会导致涂层表面大颗粒增加,从而降低涂层的抗冲蚀性能;气压从1Pa增大至4Pa,可有效地减少涂层表面颗粒的尺寸及数量,但也会一定程度降低沉积速率及硬度;偏压对CrAlN涂层的结构及性能影响最大,偏压在-50V时涂层呈(200)择优取向,-100V涂层呈(111)择优取向,-200V时,涂层择优取向不明显;且随着偏压的增加,涂层的硬度及抗冲蚀性能增大,在高冲蚀角下,冲蚀的失效机理为脆性失效。结论:工艺参数中靶电流对表面质量的影响最大;涂层的生长取向与偏压密切相关;CrAlN涂层的表面质量及硬度直接影响其抗砂粒冲蚀性能,偏压对涂层抗冲蚀性能影响最大。最终优化的工艺参数为:靶电流90A、偏压-100V、气压4Pa。     

碳/碳复合材料SiC/MoSi_2/ZrO_2涂层体系氧化烧蚀性能

抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能,首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析,利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明:基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好,高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600s后,涂层表面温度达到1 850℃,氧化质量失重速率仅为3.15×10~(-6) g/(cm~2·s)。表明SiC/MOSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。     

3D-C_f/SiC复合材料抗高温氧化涂层结构设计与自愈合机理

为了提高3D-Cf/SiC复合材料耐高温氧化性能,采用CVD和粉末烧结技术相结合依次在其表面制成CVD-SiC粘接层—自愈合功能层—CVD-SiC耐冲蚀层等抗高温氧化涂层。运用TG、SEM和TEM等手段研究了自愈合机理。结果表明,抗高温氧化涂层自愈合机理主要是B4C和MoSi2等氧化增重形成在高温下可流动的玻璃相,玻璃相充填材料裂纹和空隙有效地阻碍氧气渗透。因而3D-Cf/SiC复合材料具有较好的耐高温氧化性能。     

钛合金表面电弧离子镀TiAlN涂层的抗高温氧化性能研究

运用电弧离子镀技术,采用热等静压Ti05Al0.5合金靶在航空用钛合金TC11基片上制备了TiAlN防护涂层,并采用SEM、AES、XPS等方法研究了涂层在空气中的抗高温氧化性能.结果表明,涂层发生了选择性氧化,外层生成富Al层而内层形成富Ti层;同时进行了涂层的室温干摩擦试验,结果表明,TC11钛合金基体同GCr15钢珠的磨损表现出黏着磨损的特征,磨痕宽度约100 μm,而TiAlN涂层通过提高表面硬度改善了钛合金的黏着磨损状况.     

钛合金表面梯度Al2O3陶瓷涂层的高温抗氧化性能

钛合金应用广泛,但在高温环境中极易被氧化,降低其力学性能及寿命。利用溶胶-凝胶法在TC11钛合金上制备梯度层(ZrO_2+Al_2O_3)+表层(Al_2O_3)的复合梯度涂层,提高其高温抗氧化能力。将复合梯度涂层、单层氧化铝涂层以及基体在700℃进行100h的高温氧化,利用氧化增重数据拟合得到梯度涂层的氧化速率为0.015mg~2/(cm4·h),氧化指数为2.137,并结合氧化后EDS成分分布,发现复合梯度涂层可以提高基体的高温抗氧化性能。同时利用700℃热震实验比较了复合梯度氧化铝涂层试样和单层氧化铝陶瓷试样的热震次数,梯度层(ZrO2+Al_2O_3)的存在缓解了基体与氧化铝陶瓷涂层之间热膨胀系数不匹配而导致的易剥落的问题,延长了涂层寿命,进一步提高了基体的高温抗氧化能力。     

K3合金复合涂层高温防护性能研究

采用电弧离子镀技术在K3镍基高温合金基材上分别沉积NiCrAlYSi涂层和NiCrAlYSi AlYSi沉积-扩散型复合涂层,研究两种涂层在1100℃下的高温氧化行为和900℃下的燃气热腐蚀行为.结果表明,NiCrAlYSi AlYSi复合涂层具有比单一的NiCrAlYSi涂层更加优良的抗高温氧化性能,而NiCrAlYSi涂层的抗燃气热腐蚀性能则优于NiCrAlYSi AlYSi复合涂层.     

高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2涂层高温性能研究

使用高速电弧喷涂技术结合Fe-Al/Cr3C2粉芯丝材制备了铁铝金属间化合物涂层,对涂层的高温磨损性能、高温冲蚀性能和高温腐蚀性能进行了研究.结果表明,与基体比较,涂层的耐高温冲蚀性能良好,温度升高,涂层冲蚀性能提高,角度增大,冲蚀性能提高;由于Cr2O3的存在以及涂层结合能的提高,Fe-Al/Cr3C2涂层的高温抗腐蚀性能较高;由于C元素的富积,涂层具有优异的常温耐磨损性能,其高温耐磨损性能也较高.     

电弧离子镀NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层抗高温氧化性能

采用电弧离子镀技术在镍基高温合金DZ22B表面包覆一层NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层,对比了两种涂层的微观形貌、结构和抗高温氧化性能,并讨论了不同活性元素在氧化中的作用。结果表明:NiCrAlY涂层主要由γ′-Ni3Al/γ-Ni、β-NiAl和α-Cr相组成,而NiCoCrAlYHfSi除上述组成外还形成了NiCoCr合金相,两种涂层热处理期间均发生β-NiAl向γ′-Ni_3Al的转变过程。NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层1 050℃恒温氧化200h的平均氧化速率分别为0.072 3g/(m~2·h)和0.052 7g/(m~2·h)。NiCrAlY氧化初期直接形成α-Al_2O_3、NiCr_2O_4和Cr_2O_3,随后出现裂纹、孔洞等缺陷,氧化物沿孔洞向涂层内部延伸,同时由于基材中的Ti元素发生外扩散,涂层中还形成了TiO_2。NiCoCrAlYHfSi氧化初期形成了亚稳态的θ-Al_2O_3,随后慢慢转变为α-Al_2O_3,氧化物层比NiCrAlY均匀致密,抗高温氧化性能更优异。     

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。     

粉芯丝材电弧喷涂层的组织和高温氧化行为

为了进一步研究自制CrB粉芯丝材电弧喷涂层的高温氧化行为,在Q235钢表面电弧喷涂分别以FeB,CrB为主要粉芯成分的涂层B-1和B-2。采用金相显微镜分析了2种涂层的显微组织结构,采用高温氧化试验考察了其耐高温氧化性能。结果表明:2种涂层的微观结构都由分布在铁基金属中的硬质相粒子及其氧化物和少数孔隙组成,在650℃时2种涂层都能对基体起到较好的防护作用;B-2涂层抗高温氧化性能优于B-1涂层,主要原因是B-2涂层在高温下可以生成致密的Cr₂O₃氧化膜,起到了减缓铁氧化的作用。