定向凝固下Ti-48Al合金与不同氧化物铸型涂层界面反应的研究

通过SEM、EDS以及XRD等检测方法对Ti-48Al合金分别与Al2O3、Y2O3、ZrO2铸型涂层的界面反应处的微观组织、元素分布以及界面处的相组成等进行检测;同时结合对界面处的硬度测量,得到界面反应层厚度。结果表明,合金熔体与不同铸型涂层均发生了界面反应。铸型涂层材料不同,界面反应剧烈程度也不同。反应过程中在熔体和扩散元素的冲击下,物理侵蚀和化学反应同时存在形成了反应层,反应的强弱则与涂层材料有关。更值得注意的是,对钛铝合金与铸型涂层的热力学性质进行了计算。研究还表明,熔体在界面处的反应层主要由涂层材料的脱落扩散程度控制,涂层中的元素尤其是O元素的扩散是控制界面反应进程的重要因素。     

基于SLS的锆砂砂型与钛合金铸件界面反应研究

以锆砂为原砂材料,Y_2O_3、酚醛树脂为填充材料和粘结剂,采用热法制备覆膜锆砂,选区激光烧结(SLS)快速成形工艺制备锆砂铸型并浇注了钛合金铸件,研究了钛与铸型之间的界面反应。结果表明,采用SLS覆膜锆砂快速制备铸型,选用Y_2O_3制备涂层浇注纯钛可以铸造出轮廓清晰、表面光洁的钛铸件,且界面反应层仅约为3μm;铸件表面氧化层产物为TinO_(2n-1)和TiO_2;O扩散富集固溶层厚度约为1μm,该层生成物为TiO_2。     

MCrAlY高温防护涂层界面扩散行为研究进展（英文）

MCr Al Y涂层在高温环境下可在涂层表面生成致密连续的氧化层,以阻止阳离子和氧离子的扩散,在保护镍基高温合金基体免受高温氧化和腐蚀方面发挥着重要作用。氧化层主要由α-Al_2O_3组成,其具有较高的热稳定性和化学稳定性,同时在其六方密堆积(HCP)结构中氧离子和金属离子具有较低的扩散系数。随着氧化铝层的生长,使得涂层/氧化层界面铝浓度降低,进一步抑制了连续的Al_2O_3层的生长,导致氧化层中形成混合氧化物和裂缝以及空隙。同时,伴随着界面扩散过程,使得氧化层的微观结构因化学成分的变化而转变,这将对涂层的抗氧化性能产生显著影响。在高温条件下,由于扩散的热活化特性及涂层与基体化学成分的差异,涂层/镍基合金基体界面扩散过程将对基体合金产生有害影响。此时,Al会从涂层内扩散至基体合金中,同时Ni会从基体合金扩散至涂层中,使得基体合金的微观结构发生相转变(γ-Ni相→γ'-Ni_3Al相),形成互扩散区(IDZ)。镍基合金微观结构的相转变使得难熔元素析出,形成二次反应区(SRZ),其主要由富含难熔元素的拓扑密堆积(TCP)相组成,例如σ、μ和Laves相等,且具有枝状晶结构。因此,TCP相的析出将会对镍基合金的高温疲劳寿命产生严重影响。本文综述了MCr Al Y涂层界面扩散的详细过程,同时对界面扩散过程的影响进行了总结。这将有利于深入了解涂层在氧化过程中的组织结构变化和元素扩散行为,对提高涂层的高温抗氧化性能及研究涂层的失效机理具有借鉴意义。     

TiAl基合金熔体与氧化物铸型界面的相互作用

通过实际浇注制取了Ti-48Al—2Cr-2Nb（at％，下同）合金熔体／氧化物铸型界面，继而借助SEM、EPMA和XRD等分析测试手段，对Ti-48Al—2Cr-2Nb合金与氧化物铸型高温反应后的界面组织形貌、元素的分布以及界面生成相的相组成进行了研究，并探讨了Ti-48Al—2Cr-2Nb合金熔体与氧化物铸型间的界面反应机理。结果表明，Ti-48Al—2Cr-2Nb合金熔体与氧化物铸型间发生了一定程度的界面化学反应，但存界而上化学反应并不是均匀进行的，而是在Ti-48Al—2Cr-2Nb金熔体与氧化物铸型紧密结合的区域优先进行。     

一种镍基定向凝固高温合金与陶瓷铸模的界面反应研究

采用扫描电子显微镜和能谱等分析手段研究了某镍基定向凝固高温合金与SiO_2基陶瓷型壳以及Al_2O_3基陶瓷型芯的界面反应。实验结果表明,该镍基定向凝固合金与SiO_2基陶瓷型壳会发生较严重的界面反应,在合金与SiO_2基型壳之间有一层约3~5μm厚的白色HfO_2层和一层稀薄的Al_2O_3层,反应产物的富集可以抑制界面反应的进一步进行;而与Al_2O_3基型芯几乎不发生界面反应,只有微量的HfO_2在界面处零星分布。同时,这一结果符合了界面反应的热力学关系。虽然Al_2O_3基型芯能有效减少界面反应,但Al_2O_3基型芯存在较多的空隙,合金熔液在凝固时渗入其中增加了合金表面的粗糙度,提高Al_2O_3基铸型的致密度有利于提高合金铸件表面品质。     

钛合金与铸型界面反应的研究进展

从目前国内外关于钛合金熔体与铸型材料间界面反应的研究方法出发,综述了铸型材料、工艺参数、合金元素等对界面反应的影响,并介绍了界面反应的理论研究现状,讨论了研究中存在的若干问题,并系统收集了界面反应的各种研究结果。     

Ti-47Al-2Cr-2Nb合金熔体与Y_2O_3型壳的界面作用

结合定向凝固工艺要求,研究了不同加热温度和保温时间(1600℃×10min,1600℃×30min和1700℃×10min、1700℃×30min)下,Ti-47Al-2Cr-2Nb合金熔体与Y2O3型壳的界面作用、界面组织形貌、元素分布以及界面生成物的相组成,并讨论了Y2O3型壳用于TiAl基合金铸件定向凝固的可行性。结果表明,相同的保温温度或保温时间下,熔体中的Al元素比Ti元素更易向型壳一侧扩散;同时合金棒表层形成一层几十微米厚的渗透层,1600℃试样表面渗透层是由于合金液对型壳面层材料的浸蚀和热冲击作用,使Y2O3颗粒进入到基体中形成的;而1700℃试样渗透层中在Y2O3颗粒的周围发现含Y、O、Al的灰色相,应为Y2O3与合金液发生反应而形成。     

Inconel 601合金在高温硼硅酸盐核废物玻璃熔体中的腐蚀行为

研究了Inconel 601合金在普通硼硅酸盐核废物玻璃(MW)和添加ZnO、Mn_2O_3改性的硼硅酸盐玻璃(MZMF)的1060℃高温熔体中浸泡168 h和336 h的腐蚀行为,利用扫描电子显微镜和能谱仪、X射线衍射分析仪,研究了合金与玻璃的腐蚀界面的表面形貌、元素组成以及相结构变化。结果表明:合金表面生成了Cr_2O_3层,其中合金在MW中的腐蚀深度比在MZMF中大10μm;在MW熔体中,MgO、Fe_2O_3和Cr_2O_3反应生成MgCr_2O_4和FeCr_2O_4,破坏了合金和玻璃之间的Cr_2O_3层,使该层呈碎片状。在MZMF高温熔体中长期浸泡后,合金表面形成的Cr_2O_3层呈连续均匀的状态,并且Cr_2O_3层外附着一层含B、O、Fe、Mn、Zn的锯齿状化合物,阻碍了Cr_2O_3层与MgO或其他化学物质反应,减缓了合金的腐蚀速率。     

SiC纤维增强Ni-Cr-Al合金复合材料先驱丝的制备

采用对靶设计的磁控溅射法在SiC纤维表面先后沉积了(Al+Al2O3)扩散阻挡层和Ni-Cr-Al合金先驱层,制备得到SiCf/Ni-Cr-Al先驱丝。研究了涂层的形貌、成分和相组成,以及涂层对SiC纤维力学性能的影响。对先驱丝在850℃/150 h和900℃/150 h进行真空热处理。结果表明:Al_2O_3涂层均匀致密,呈非晶态,Ni-Cr-Al合金涂层成分分布均匀,与靶材成分相当;涂层与SiC纤维结合良好,且对SiC纤维力学性能影响较小;先驱丝在真空热处理后,Ni-Cr-Al合金层仍保持完整,(Al+Al_2O_3)涂层有效的抑制了界面处元素扩散和化学反应,保证了高性能的SiC_f/Ni-Cr-Al复合材料的制备。     

NiCr涂层结构对Nb-1Zr合金抗氧化性能的影响

为提高Nb-1Zr合金基体在600℃大气环境下的抗氧化性能,采用等离子增强电弧离子镀技术在Nb-1Zr合金表面低于300℃下实现不同复合结构的NiCr涂层。利用恒温氧化表征了涂层在600℃、500 h大气环境下的抗氧化性能,揭示了不同复合结构涂层失效以及抗氧化机理。结果表明,单一NiCr涂层中存在的大量"微孔"结构缺陷相互连通构成了氧元素进入基体的扩散通道,界面处基体首先发生氧化,生成以Nb_2O_5为主的粉末状氧化产物。随着氧化时间的延长,氧化产物逐渐增多,体积逐渐膨胀,造成表面鼓泡直至破裂失效。采用NiCr多层复合结构能够显著降低涂层中形成"贯穿孔"的几率,但并未改变涂层的失效方式。而基体与NiCr层之间引入Cr过渡层,能够在界面处与扩散进入的氧首先反应生成致密的Cr_2O_3层,阻碍氧向基体的进一步扩散,且随着氧化时间的延长,涂层中的Cr向表面的扩散使得其表面相应形成一层致密的Cr_2O_3层,双层致密氧化膜的形成确保了基体抗氧化性能的提高。结果显示,Cr/NiCr多层复合结构涂层能够使Nb-1Zr合金在600℃大气环境下的抗氧化时间延长至500 h,氧化增重率仅有0.08g·(m~2·h)~(-1)。     

带涂层的TiAlNb合金高温氧化行为

研究了带NiCrAlY，TiAlCr及搪瓷涂层的TiAlNb合金分别在800℃和900℃时的氧化行为。结果表明，3种涂层均能在一定程度上对基体合金提供防护，但氧化后，涂层和合金间出现了不同程度的反应和互扩散。氧化时，NiCrAlY涂层发生内氧化，且在NiCrAlY／TiAlNb界面互扩散严重，而界面的某些区域形成的保护性Al2O3虽能有效阻碍氧的内扩散，但也导致涂层从基体表面剥落：TiAlCr涂层表面形成连续Al2O3能对基体提供很好的防护，但涂层／合金界面出现的Nb和Cr的互扩散带可能会影响涂层寿命及基体合金的力学性能。在与TiAl合金接触时，搪瓷变得不稳定，氧化过程中，涂层与合金界面形成一定厚度的反应层，致使涂层与合金间结合力下降。     

激光熔覆316L微孔结构/Al_2O_3-13%TiO_2复合涂层组织及性能

以纳米团聚体Al_2O_3-13%TiO_2(质量分数)复合涂层粉末为原材料,采用激光熔覆工艺在Ni625合金基体表面制备316L微孔结构/Al_2O_3-13%TiO_2复合涂层。通过扫描电镜(SEM)、XRD和线扫描仪分析涂层和微孔粘结层的界面形貌和界面元素的分布状态,研究微孔结构对涂层结合强度的影响。结果表明:界面间结合方式为机械结合;虽然界面之间未发生元素扩散现象,但在微孔粘结层"铆接"作用下,粘结层与陶瓷层间形成良好的结合,与直接激光熔覆Al_2O_3-13%Ti O_2涂层相比,316L微孔结构/Al_2O_3-13%TiO_2复合涂层结合强度较高,提高8.7%;残余应力相对较低,减小13.6%,且表面涂层由α-A1_2O_3、Rutile-TiO_2和Al_2Ti_7O_(15)组成,其中以稳态的α-A1_2O_3相为主要组成相。     

锆合金包壳Cr涂层界面元素扩散行为研究进展

随着核反应堆向高燃耗和更长服役寿命方向发展,对包壳材料的安全可靠性提出了更高的要求。锆合金表面Cr涂层由于其优异的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能以及与基体良好的兼容性,被认为是最有前景的耐事故涂层包壳材料。综述了近年来涂层Cr与基体Zr界面元素扩散行为的研究成果,重点介绍了Cr涂层不同状态下的界面结构及演变规律,包括沉积、退火、辐照、氧化等状态。总结了Cr的扩散、分布和金属间化合物Zr-Cr-(Fe)层的生长动力学模型,归纳了界面扩散对涂层结构及性能的不利影响。扩散阻挡层是一种抑制涂层与基体互扩散的有效结构,介绍了阻挡层设计制备原则以及现有的和潜在的金属或陶瓷阻挡层材料,分析了2类典型阻挡层的优缺点。金属阻挡层能抑制Cr的扩散并延迟Cr-Zr共晶反应,但需要考虑中子经济性;虽然陶瓷阻挡层阻隔元素扩散的性能优异,但由于其与锆合金力学性能和热膨胀系数的差异明显,易产生微裂纹,需要考虑其抗裂性。最后提出了采用实验与分子动力学等相结合的多尺度研究方法开展界面研究,同时指出了目前研究工作中亟待解决的关键问题,这为后续的锆合金表面耐事故涂层研究与开发提供了重要参考。     

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。     

镁合金表面冷喷涂铝合金的界面扩散行为

采用冷喷涂技术在镁合金表面制备了快凝Al-12Si-3Fe-3Mn-2Ni合金粉末涂层,观察了涂层与基体合金界面形态,试验研究了热处理温度和保温时间对涂层与基体之间相互扩散的影响.结果表明,采用冷喷涂技术制备的快凝Al-12Si-3Fe-3Mn-2Ni合金粉末涂层,经热处理后涂层更加致密、均匀,涂层中的Al元素和基体中的Mg元素均发生互扩散;基体中的Mg元素向涂层方向的扩散量要大于涂层中的Al元素向基体方向的扩散量;随着温度的提高和时间的延长,基体和涂层之间的Mg,Al元素扩散程度均提高;但是当温度提高到300℃,时间延长到3h后,其扩散层变化微小.涂层和基体合金中的其它元素扩散量较少.     

钛合金金属型铸造工艺研究

对于薄壁钛合金铸件,金属型工艺与石墨型工艺以及陶瓷型工艺相比,在铸型使用寿命、尺寸精度以及工艺操作性上具有一定的优势。文中将金属型与陶瓷涂层结合,探究薄壁钛合金铸件的金属型铸造工艺。试验过程中选择多种金属型材料涂覆陶瓷涂层,研究其与钛液的界面反应,发现涂覆钇稀土涂层的灰铸铁铸型浇注的钛试样表面更加平整,金属型与钛液反应较弱,没有形成明显的反应层,并且在一定程度上阻碍了金属型元素扩散到钛液当中。同时,本试验设计了合理的金属型模具,确定了合理的离心浇注参数,浇注出了完整的薄壁钛铸件,铸件表面均无裂纹、冷隔等缺陷,化学成分、力学性能等各项指标均达到了使用要求。     

DZ22B高温合金与Al_2O_3陶瓷型壳的界面反应

采用真空感应熔炼与惰性气体保护相结合,研究了不同熔炼温度及接触时间条件下DZ22B高温合金与Al_2O_3陶瓷型壳的界面反应发生及形成规律,探讨了界面反应对铸件表面粘砂缺陷的影响。结果表明,高温合金中Hf元素活性大,易与Al_2O_3发生界面反应,合金表面形成HfO_2。当接触15min后,界面反应随熔炼温度的提高而增强,在1 400℃时未出现界面反应,1 500℃时发生微弱界面反应,1 600℃时界面反应加剧,并出现粘砂现象。由于型壳面层中物理渗透层的形成以及应力集中的出现,界面反应的存在导致面层材料发生脱落,其中在接触30 min,浇注温度为1 600℃时粘砂最为严重,合金表面形成厚1mm的面层粘砂产物。     

金属-氧化物扩散障对涂层和基体间元素互扩散的阻碍作用

本文研究了低压等离子喷涂的Ni_3Al-Y_2O_3扩散障层对外层涂层与基体间元素互扩散的阻碍作用,发现阻碍扩散的作用与扩散障层中氧化物含量有关。当Y_2O_3含量为8wt-%时,扩散障对元素互扩散没有明显的阻碍作用;当Y_2O_3含量为30wt%时,对Al,Co和Cr等元素的扩散有明显的阻碍作用。并且,阻碍作用随元素不同而不同。     

金属-氧化物扩散障对涂层和基体间元素互扩散的阻碍作用SCIEI

本文研究了低压等离子喷涂的Ni_3Al-Y_2O_3扩散障层对外层涂层与基体间元素互扩散的阻碍作用,发现阻碍扩散的作用与扩散障层中氧化物含量有关。当Y_2O_3含量为8wt-%时,扩散障对元素互扩散没有明显的阻碍作用;当Y_2O_3含量为30wt%时,对Al,Co和Cr等元素的扩散有明显的阻碍作用。并且,阻碍作用随元素不同而不同。     

MCrAlY涂层高温氧化界面扩散行为研究进展

MCrAlY涂层在保护基体高温氧化和腐蚀方面发挥着重要作用,可在基体表面形成致密连续的氧化层,阻止阳离子和氧的扩散。随着氧化铝层的生长,导致涂层/氧化层界面处铝浓度降低,抑制了连续的Al2O3层的生长,导致混合氧化物和裂缝以及空隙的形成,使得涂层过早失效。在涂层和基体界面,真空热处理提高了界面的结合强度,改善了涂层与基体的粘附性。然而在高温下的界面扩散过程将对基体产生有害的影响。基体的难熔强化元素,如Ti,W,Mo,可以扩散到涂层中。而且相互扩散过程可在基体形成二级反应区（SRZ）,析出拓扑密堆相（TCP）相,如σ,μ和Laves相等,降低高温合金的高温疲劳寿命。在本文中,详细介绍了涂层/基体的界面扩散过程,以及总结了当前对界面扩散效应的理解以及对减少界面扩散所做的努力。