活性元素改性高温防护涂层的研究现状

活性元素(RE)可以显著降低合金的氧化速率和提高氧化膜的抗剥落性能,在高温合金及高温防护涂层上已经得到了大量商业应用,但至今对其微观作用机制尚无统一认识,相关理论体系也不完整。从RE改性高温防护涂层的制备、RE效应及作用模型、过掺杂和共掺杂效应等方面,概述了活性元素在高温防护涂层领域应用的最新进展。重点分析了RE添加对高温过程中氧化膜生长机制、微观结构和氧化膜粘附性能的影响,过量掺杂对抗氧化性能的危害以及多种RE掺杂对合金基体的改善作用。RE改性要在高温防护涂层上体现最佳效果,除需关注RE掺杂对氧化膜生长和氧化膜/涂层基体界面结合状态的影响外,还必须考虑涂层和合金基体的互扩散、涂层中的氧含量、涂层厚度等因素对RE添加种类和添加量的影响。针对目前的研究结果,提出RE改性高温防护涂层在应用上最亟待解决的问题,是确定不同合金体系中RE掺杂的最佳种类和含量。最后,对未来的研究方向进行了展望。     

预氧化温度对GH3128合金抗高温循环氧化性能的影响

采用热重法并结合SEM、EDAX等分析手段,研究了预氧化温度对GH3128合金抗高温(1100℃)循环氧化性能的影响。结果表明:在适当温度下进行预氧化处理可有效提高合金的抗高温循环氧化性能。GH3128合金经预氧化处理后抗高温循环氧化性能的优劣主要取决于两种因素的综合作用,其一是合金表面元素Cr的选择性氧化,形成致密均匀的保护性预氧化膜,提高合金抗高温循环氧化性能;其二是合金中元素Ti、Cr的晶界偏析加剧,加速晶界氧化并导致显微裂纹等缺陷产生,降低合金的抗高温循环氧化性能。900℃预氧化处理的GH3128合金试样具有最佳的抗高温循环氧化性能,该温度下预氧化膜形成较好且合金元素Ti、Cr的晶界偏析作用相对较弱。     

活性元素Y和Ce对Fe—25Cr—40Ni合金高温氧化的影响

用离子背散射和慢正电子束研究了活性元素Y和Ce对Fe-25Cr—40Ni合金在高温初期氧化动力学、氧化膜表层成份和微观缺陷结构的影响,实验结果表明了微量活性元素(≥0.05%)在高温氧化初期显著减少了合金的氧化速率,有效地促进了Cr_2O_3的生长,抑制了Fe和Ni氧化物的形成,改善了氧化膜的微观结构,活性元素结合进入氧化膜并在外层膜中(约几十nm)富集,活性元素Ce抗氧化机理不同于Y,Ce使合金氧化膜的空位缺陷显著降低,主要控制了阳离子沿晶格空位向外扩散,而含Y合金由氧化初期主要控制阳离子沿晶格扩散转变为主要控制阳离子沿晶界向外扩散。     

氧化铝形成合金中活性元素效应的研究进展

高温金属防护涂层在先进航空发动机上有着广泛应用,其通过生成表面保护性氧化膜为发动机热端部件提供保护,以提高热端部件的抗高温氧化腐蚀能力,延长热端部件的服役寿命。微量活性元素由于能降低涂层材料的高温氧化速率,提高涂层表面氧化膜的粘附性而被广泛用于高温防护涂层的改性上,特别是用于超高温(≥1200℃)金属涂层潜在应用材料NiAl的改性上。但是截至目前,由于活性元素效应的影响因素复杂,相关作用模型并不完善,人们对活性元素效应的微观作用机理还存在较大的争论。从活性元素促进元素的选择性氧化、降低氧化膜生长速率和提高氧化膜粘附性等角度出发,综述了活性元素改性在高温金属防护涂层领域的研究进展,特别是针对以氧化铝形成合金为代表的金属防护涂层材料。重点分析了活性元素改性对氧化膜微观结构、生长机制、界面孔洞、内应力等的影响以及活性元素与杂质元素(如C和S)之间的交互作用。最后,对今后的研究工作进行了展望,希望在原子尺度进行更深入、更细致的研究,为超高温金属防护涂层的发展提供理论指导。     

Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化动力学及微观机理研究

Cr涂层锆合金包壳具备抗高温蒸汽氧化性能优异、耐腐蚀和耐磨蚀性能良好、工程应用难度较小等特点,成为最具前景的近期型事故容错燃料候选材料之一。本工作以Zr-1Nb合金管为基体材料,采用磁控溅射工艺制备均匀致密Cr涂层,涂层厚度范围12～15μm。通过同步综合热分析仪开展双面高温蒸汽氧化试验,氧化温度为1000、1100和1200℃,氧化时间为300～5000s,系统研究反应堆事故工况下Cr涂层锆合金包壳高温蒸汽氧化行为。采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪表征高温氧化产物膜微观形貌特征、氧化层厚度、元素分布以及物相组成等,建立Cr涂层氧化动力学模型,探讨高温氧化机理。研究表明,高温蒸汽环境中,Cr涂层锆合金包壳外壁形成致密Cr2O3层,有效阻止O元素扩散至Zr合金基体,从而提升复合包壳的耐高温性能。其次,Cr涂层高温蒸汽氧化动力学曲线遵循抛物线规律,氧化速率常数比锆合金低大约2个数量级,显著提升锆合金包壳抗高温蒸汽氧化性能。     

TEM及HREM在研究金属氧化微观机制方面的应用

简述透射电子显微镜在研究金属氧化微观机制方面的应用，并就ＴＥＭ及ＨＲＥＭ在研究离子注ＣｅＮｉ２０Ｃｒ合金，Ｎｉ－Ｌａ２Ｏ３共沉积层的氧化膜的组成、结构，ＡｇＣｕ稀固溶合金的内氧化微观缺陷，以及活性元素掺杂的氧化膜的精细结构等方面的研究结果和最新进展作了简要报道，对活性元素影响氧化行为的微观机制和内氧化的微观机制作了简要评述。     

超声振动辅助激光熔覆IN718-Hf涂层的抗高温氧化性能

目的 基于航天航空领域对IN718合金的抗高温氧化性能需求,通过活性元素(RE)掺杂与物理场辅助,提升IN718合金的抗高温氧化性能。方法 采用超声振动辅助激光熔覆工艺,在IN718合金表面制备IN718-Hf熔覆层,研究涂层的微观结构演变,以及在800℃下长达100h的氧化行为。利用扫描电子显微镜(SEM)、电子探针显微分析仪(EPMA)研究涂层的显微组织、氧化膜结构和元素分布。通过X射线衍射仪(XRD)分析物相。结果 在不同Hf含量(均以质量分数表示)的涂层中,IN718-Hf(0.3%)涂层中的氧化层最薄、最均匀。Hf的高化学活性使得它很容易与其他元素发生反应,增加了成核粒子数量,使涂层中的微观结构细化。超声振动的施加提升了熔池的过冷程度,同时打碎了熔池中粗大的柱状枝晶,从而达到了细化晶粒的目的。晶粒细化有利于形成致密均匀的氧化层,从而增强材料的抗高温氧化性。氧化层具有双层结构,外层为Mn Cr₂O₄尖晶石,内层为Cr₂O₃。Hf的掺杂和超声振动的施加促进了Mn Cr₂O...     

扩散处理对离子镀铝TiAl合金高温氧化性能的影响

利用多弧离子镀技术在TiAl合金表面制备纯铝层,分别进行720℃×2 h、780℃×2 h和840℃×2 h高温扩散处理,采用SEM、EDS和XRD分析了扩散铝层的微观组织及其相组成,并测试了不同扩散热处理工艺对合金高温氧化性能的影响.结果表明:随着扩散温度升高,镀铝扩散层厚度不断增加,扩散层由表及里形成Al2O3/TiAl3/TiAl2的结构特征,且内部Al元素浓度呈梯度分布;镀铝经扩散处理后的TiAl合金在850℃空气中的氧化速度主要受扩散层元素与基体元素之间的热扩散过程控制.氧化动力学曲线呈对数变化规律.当扩散工艺为840℃×2 h时,镀铝扩散层具有优良的抗高温氧化性能.     

镁合金抗高温氧化机理研究进展

本文简要回顾了国内外镁合金抗高温氧化机理的研究进展,归纳总结了纯Mg的高温氧化机理和镁合金高温氧化热力学与动力学及抗氧化机理,并探讨了先进表征技术在镁合金高温氧化研究中的潜在应用前景,最后展望了耐高温氧化镁合金的发展方向。主要观点如下：镁合金主要是通过形成具有一定厚度、连续且致密的氧化膜来抑制Mg蒸气向外扩散和O的内渗透;镁合金的高温氧化通常与第二相的热稳定性有密切关系;当微量合金元素不足以在表面生成相应氧化物时,可通过形成置换固溶体和反应性元素效应来提高保护作用;具有表面活性的元素会在合金表面富集并减小氧化物尺寸,从而增强氧化层;合金元素的选择性氧化与协同作用对镁合金的抗氧化性能至关重要;在镁合金中加入纳米或微型颗粒可通过减少特定的氧化区域来提高镁合金的高温抗氧化性。未来关于耐高温氧化镁合金的研究可基于以下方面继续深入：应用先进表征技术精准揭示镁合金抗氧化的机理和本质;建立合金元素与氧化膜晶粒尺寸和力学性能的内在关联;设计合理的多合金元素成分体系。     

基于氧化膜屈曲破坏的高温合金循环氧化动力学模型

高温合金循环氧化膜弯曲剥落行为等效为弹性基础梁失稳问 题,利用有限元特征值屈曲分析,提出高温合金循环氧化膜弯曲剥落理论,建立了高温合金 循环氧化动力学模型.Fe-Ni-Cr-Al合金高温循环氧化动力学计算结果与实验数据相符,证明 了氧化膜弯曲剥落模型的正确性.     

采用动态热模拟技术研究稀土对硬质合金性能稳定性的影响

该文采用动态热模拟技术研究了稀土对硬质合金性能与粘结相结为稳定性的影响，发现以非氧化物方式加入稀土元素能改善合金性能，其主要作用是抑制了粘结相向h．c．p结构的马氏体转变，且在长期热循环效应下保持稳定。而以氧化物方式加入稀土元素，抑制粘结相向h.c．p结构的马氏体转变能力差，在一定的热循环效应下不稳定，随着热循环次数的增加，h．c．p结构相含量增加，区改善合金性能不明显。     

微量稀土对HAl77-2铜合金组织及耐腐蚀性能的影响

采用光学显微镜和常规力学性能测试分析了微量稀土对HAl77-2铝黄铜组织和力学性能的影响,结合静态腐蚀实验研究了添加稀土后合金耐腐蚀性能的变化,并利用扫描电镜、能谱分析和XRD等方法对腐蚀产物层进行了分析。结果表明：添加适量稀土可以使铝黄铜晶粒细化,强度提高,但塑性有所下降;在3.5%NaCl 溶液中,含稀土铝黄铜比不含稀土的铝黄铜耐蚀性能好,表面形成一层致密且与基体结合牢固的腐蚀产物层,其主要成分：内层为Al₂O₃和稀土氧化物,外层为 Cu、Zn的碱式氯化物和氯化物;而在3.5%NaCl+0.05%S^2-溶液中,添加稀土虽能改善腐蚀产物层结构,但膜层已被Cu₂S严重脆化,合金耐腐蚀性能反而略有下降。     

稀土元素Ce和La合金化对AM60镁合金腐蚀行为的影响

采用电子探针-能谱分析,场发射扫描电镜X射线衍射等方法研究了稀土元素Ce和La合金化对AM60镁合金结构和耐蚀性能的影响.结果表明,Ce和La的加入可在AM60镁合金中形成了富含稀土元素的γ相（MgAlRE）;能有效抑制析氢,提高镁合金的耐蚀性能;改善镁合金在含Cl-溶液中的耐蚀性能;腐蚀产物膜的晶态主要成分为铝和锰的氧化物,并含有少量的稀土氧化物和氢氧化物.     

合金元素Mg对含RE铝阳极组织与性能的影响

采用恒电流方法,测定了Al-5Zn-0.05In-0.1Sn-0.3RE和Al-5Zn-0.05In-0.1Sn-Mg-0.3RE两种铝合金牺牲阳极材料电流效率、利用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析,研究了它们的金相组织。结果表明：镁对含RE铝阳极性能有较大改善,镁的添加改变了铝合金晶界偏析相的组成;晶界析出物Mg相减轻了铝阳极的晶界腐蚀和晶粒脱落。     

EFFECT OF RARE EARTH ADDITION ON PROPERTIES OF CONTROLLED ROLLING LOW CARBON MnMoNb FERRITE STEEL

<正> 本文通过金相显微镜和透射电子显微镜的观察和电子衍射分析,研究了控制轧制的低碳Mn-Mo-Nb铁素体钢和加入稀土之后的组织结构,探讨稀土的作用. 试验钢是在50kg非真空高频感应炉中熔炼的,铸成50kg圆锭,其化     

INFLUENCE OF Y,Ce AND La ON HIGH TEMPERATURE SULFIDATION OF Fe-25Cr-40Ni SUPERALLOY

The effects of Y,Ce and La on the sulfidation of alloy Fe-25Cr-40Ni have been investigated.The sulfidation rate of the alloys with RE more than 0.1 wt-% is lower than that of the basealloy.The addition of Y is more effective than La and Ce in lowering the sulfidation rate.Based on the analyses of the structure and composition of the sulfide seales,the sulfidationmechanism of the alloys with RE has been proposed.     

稀土元素微合金化提高HP40合金高温抗氧化能力研究

通过扫描电子显微镜( SEM)、X光电子能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段分析了稀土元素的添加对H-P40合金抗高温氧化能力的影响.1100℃氧化120 h后增重最小的试样(HP40+Y)单位面积增重约为16.24 g/m2,远低于未添加稀土元素试样在相同条件下的氧化增重( 36.45 g/m2),表明稀土元素的添加有效提高了合金的抗氧化能力.对试样氧化膜内部组成结构的分析发现,添加稀土元素后氧化膜表面存在一层完整的尖晶石氧化物,而未添加稀土元素的试样氧化后表层尖晶石不连续.另外,稀土元素促进了硅的内氧化,这种内氧化产物钉扎基体,增大了氧化膜与基体的接触面积,改善了氧化膜与基体界面的结合强度.     

Modelling the influence of reactive elements on the work of adhesion between a thermally grown oxide and a bond coat alloy

The durability of thermal barrier coating systems is primarily determined by the degree of adhesion between the thermally grown oxide (TGO) and the bond coat. Failure of the TBC is often the result of delamination at this interface. Adhesion can be improved by the addition of reactive elements (RE) to the bond coat alloy. REs include oxide forming elements such as Y, Zr and Hf. The so‐called reactive element effect has been attributed to a direct improvement of the bonding between the TGO and the bond coat. A macroscopic atom model has been developed to allow the work of adhesion between two compounds (e.g. an oxide and a metal compound) to be estimated. By calculating the work of adhesion across a number of different interfaces, the influence of reactive elements and impurities present in the substrate can be assessed. It has been found that the REs have a limited direct influence on the work of adhesion and can even result in a weaker interface. A large reduction in the work of adhesion is calculated when S and C are present at the interface. REs have a high affinity for both S and C. This indicates that the RE effect is primarily that of impurity scavenging, preventing diffusion of impurities to the interface. A number of experiments are reported, which demonstrate the RE effect and support the modelling results.     

Mg-RE合金的阻燃能力研究

主要研究了不同稀土元素对工业纯镁阻燃能力的影响,结果表明:一定量的Ce、Y、Nd、Dy稀土元素可使工业纯镁的燃点值有不同程度的提高,其中Y和Dy对阻燃能力的提高作用更为明显;观察发现Mg-Ce和Mg-Nd合金的氧化膜存在裂纹,这是他们阻燃能力较小的原因。本文还对Mg-0.5Y-Ce和Mg-0.5Y-Dy合金的阻燃能力进行了研究,发现Mg-0.5Y-5Dy合金的氧化膜致密,韧性较好,阻燃能力最强。