“氧化 - 扩散” 模型在高温合金 -MCrAlY 涂层体系中的应用

燃气轮机中（燃烧室、 涡轮） 高温合金热端部件长期工作在 1000℃及以上的高温环境, 导致部件材料需 要面对高温氧化、 热腐蚀、 高温载荷及力学性能的改变等实际问题。 MCrAlY 涂层在热端部件防护中发挥着重要 作用。 然而, 高温合金 -MCrAlY 涂层体系在高温中会发生元素互扩散、 组织演变等微观现象, 影响着部件高温 性能和使用寿命。 本研究采用 ThermoCalc/DICTRA 软件, 同时耦合了 MCrAlY 合金涂层表面氧化, 建立了高温 合金 - 涂层体系的“氧化 - 扩散” 模型, 成功应用于涂层成分优选与寿命预测。 本研究还总结了热力学计算在高 温合金 /MCrAlY 涂层体系中其他应用     

MCrAlY涂层对单晶中γ'相消耗及TCP相生成影响的模拟研究

高温下,MCrAlY涂层与高温合金单晶基材之间会发生元素互扩散,引起显微组织结构变化,往往造成单晶中具有析出强化作用的γ'相的消耗和对力学性能有害的拓扑密堆(Topological closed packed, TCP)相的生成。本研究采用扩散模拟计算的方法,设计了6种MCrAlY模型涂层,分析Co、Cr、Al主元素对DD6单晶基材显微组织的影响规律。研究结果表明,基材中γ'相消耗区在靠近涂层-基材界面处形成,该区的形成主要与Co、Cr元素内扩散相关。基材中TCP相则在更深位置的γ'相富集区内生成,γ'相富集区与Al元素内扩散有关。另外,本文着重分析了涂层成分对γ'相消耗区深度及TCP相生成含量与深度的影响。     

Ta 含量对 MCrAlY 抗氧化性的影响

相影响着MCrAlY涂层的抗氧化性,改善涂层中β相含量可以通过添加特定元素实现。Ta被认为是可以用来改善涂层抗氧化性的重要元素之一。本研究模拟考察了不同Ta含量对MCrAlY涂层相组分的影响,并在此基础上,开展了1000℃恒温氧化实验。研究结果表明,随着Ta含量的增加,涂层的贫铝区厚度减小,剩余的β含量增加,其分布也更靠近涂层表面;但较高的Ta含量加剧了Ta元素在涂层中的偏析。综合考虑,3%Ta含量的MCrAlY涂层抗氧化性最好。另外,本文还着重研究了优选Ta含量的MCrAlY的氧化过程。     

Ta 含量对 NiCoCrAlY 涂层性能的影响

采用真空雾化的方法制备了Ta含量为0、2%及5%的NiCoCrAlYTa合金粉末,利用超音速火焰喷涂制备了三种涂层,研究了Ta对合金粉末微观组织及物相的影响,绘制了1050℃条件下涂层的高温氧化动力学曲线,研究了500h氧化试验后涂层组织和β相的分布,初步探讨了Ta元素对改善涂层抗氧化性能的作用机理。研究结果表明:Ta通过提高MCrAlY体系抗氧化元素的溶质浓度,促进了氧化膜的形成,随着Ta含量的增加,涂层的内氧化程度降低,涂层抗氧化性能提高。但含Ta涂层在长时间氧化条件下会生成CrTaO_4、AlTaO_4等尖晶石类氧化物,且Ta的氧化物PBR值较大,对涂层的抗热震性能不利。     

单晶高温合金 NiCoCrAlYTa 涂层高温氧化行为研究

飞机发动机及燃气轮机的发展要求更高的燃气进口温度,从而获得更高的推重比或功率输出,抗氧化MCrAlY涂层在其中发挥至关重要的作用。本文采用含有Ta元素的Amdry997粉末进行超音速火焰喷涂,研究涂层的高温氧化行为,并重点关注Al和Ta元素在涂层内不同相中的分布,及其对涂层与基体元素互扩散行为的影响。研究表明,Ta元素对提高γ'-Ni_3(Al,Ta)相稳定性起到重要作用。     

纳米氧化铈对TC11表面MCrAlY熔覆涂层组织和硬度的影响

采用激光熔覆技术,在TC11合金表面上制备了纳米氧化铈含量(质量分数)分别为0%,2%,4%,6%,8%的MCrAlY高温防护涂层。利用光学显微镜(OM),能谱分析(EDS),X射线衍射(XRD)等手段及显微硬度计对涂层的组织、相结构及横切面硬度分布进行了较为系统地研究。结果表明:添加纳米氧化铈后,涂层形状由双弧状转变为扁平状;涂层组织的均匀性得到明显改善,熔覆层中气孔、成分偏析等缺陷消失,枝晶析出物被打断,胞状组织被细化;涂层过渡区的硬度变化梯度减小,其硬度沿横切面的分布也更加均匀。此外,部分氧化铈在激光束作用下发生熔解,生成了CeNi相,富集在液固界面前沿阻碍了合金元素的扩散,降低了基体Ni的活性而增大了其他元素如Ti,Al的溶解。在本实验条件下,添加6%的纳米氧化铈对熔覆涂层组织及硬度分布的改善最为明显。     

HVOF 制备 MCrAlY 涂层过程中 WC 杂质颗粒的演变遗传行为研究

在热喷涂工业生产过程中,喷涂制备不同材料体系的涂层之前需要对送粉路径(送粉罐、送粉盘、搅拌器、送粉管路、送粉针)进行清理,但由于送粉路径内部结构复杂且存在静电吸附效应,使得残留于喷涂系统的粉末无法被完全去除,通常以微量杂质颗粒的形式被带入新涂层,进而影响新涂层的性能。为此,本文研究了在单晶基材表面采用高速火焰(HVOF)喷涂制备MCrAlY涂层过程中,送粉路径残留的WC杂质颗粒(WC-10Co4Cr)在涂层及涂层与基材界面处的遗传演变行为,分别采用SEM、EDS分析了WC杂质在喷涂态、热处理态涂层中的微观组织和相组成。研究结果表明,WC杂质颗粒确实存在于MCrAlY涂层中,并在后期热处理及氧化试验中进一步分解而固溶于涂层中,甚至扩散至单晶基材内部引起含W碳化物的生成,影响涂层及单晶基材的显微组织,改变局部的成分均匀性。同时,本文还采用ThermoCalc软件进行了热力学计算模拟,辅助分析了WC分解及W与C元素在显微组织中的遗传特性。对于WC类粉末和MCrAlY粉末共用的HVOF喷涂设备,建议给MCrAlY粉末配备单独的送粉路径,以确保涂层的纯净度与质量。     

涂层沉积过程对镍基高温合金和MCrAlY粘结涂层互扩散行为的影响

本文考察了不同镍基高温合金与两种化学成分的MCrAlY粘结涂层的互扩散行为。为明确涂层沉积过程对其影响,本文采用超音速火焰喷涂(HVOF)和低压等离子喷涂(LPPS)两种不同的喷涂工艺制备了MCrAlY粘结涂层。本文重点考察Kirkendall孔隙度的演变过程,其主要形成于基材与粘结层界面,并主要受涂层及基材化学成分的影响。实验研究表明:涂层沉积过程对Kirkendall孔隙度的演变过程具有较大影响。孔隙的形成可导致基材与涂层间粘结强度的降低,甚至引起涂层系统的功能性破坏。本文在涂层沉积后,将样品置于1050℃条件下进行最长可达2000小时的退火。为评估Kirkendall孔隙度,对样品进行微观组织和化学成分分析。结果表明:Kirkendall孔隙度的形成量以及形成位置很大程度上受涂层沉积过程的影响。一般而言,通过HVOF工艺制备粘结涂层的样品提高了元素扩散速率。由于在涂层沉积之前进行了表面处理,故造成上述现象的主要原因为基材材料的再结晶。     

Si 元素对 CoCrAlY 涂层组织及性能的影响

在GH907基体上制备了三种不同Si含量的CoCrAlY合金涂层,对800℃涂层耐75%Na_2SO_4+25%NaCl熔盐腐蚀性能进行了测试分析,研究了1050℃下,Si元素对涂层抗氧化性能的影响,测定了不同Si含量涂层的抗热震性能。对实验条件下涂层的氧化产物、腐蚀产物及显微形貌进行了测定分析。研究结果表明:Si元素在高温下通过促使涂层表面Al_2O_3膜的形成提高涂层抗高温氧化及抗热盐腐蚀性能,但是过高的Si含量使涂层表面氧化膜破裂,使抗高温氧化性能下降。     

复合电镀 MCrAlY 涂层研究进展

作为MCrAlY高温防护涂层制备手段之一的复合电镀技术具有低能耗、低成本等诸多优点。在过去近四十年内,该技术在国外得到了广泛的发展与应用。本文主要对比介绍了国内外MCrAlY涂层复合电镀工艺技术的研究进展,并对国内MCrAlY涂层复合电镀技术的发展作了展望。     

High Temperature Oxidation and Microstructural Evolution of Modified MCrAlY Coatings

Thermal sprayed MCrAlY coatings are widely used as a bond coat in thermal barrier systems to protect the substrate from corrosion and high temperature oxidation and to improve the compatibility between the ceramic top coat and metallic substrate. In this paper, the high temperature oxidation resistance of MCrAlY coatings with modified compositions was evaluated; in particular, the effect of the addition of reactive and refractory elements (Ta, Re, Si, and Hf) was investigated. MCrAlY coatings were obtained by high velocity oxygen fuel spray and vacuum plasma spray techniques; samples were exposed to air at 1423 K (1150 °C) and the oxidation kinetics were evaluated by measuring the thickness of the thermally grown oxide (TGO) scale at several exposure times. Experimental data confirmed that the oxidation resistance of MCrAlY coatings is strictly related to the amount of the reactive and refractory elements in the starting powders and that a thorough understanding of the microstructural modifications taking place during oxidation is essential for controlling TGO growth and thermal barriers’ durability.     

喷涂工艺对MCrAlY涂层组织影响

采用超音速、爆炸喷涂工艺制备钢铁炉辊用MCrAlY涂层,借助XRD、SEM和EDS等手段分析了涂层组织。结果显示：超音速制备涂层中Cr元素含量比粉末成分偏高,Al、Y元素降低,可能在喷涂过程中元素烧损,形成的氧化物在喷涂沉积过程被吹飞,未沉积到涂层中。XRD分析结果显示涂层由Co基固容体、Al,Co、Cr7C3、TaC等相组成。涂层致密,孔隙率低,显微硬度大,结合强度高。相对超音速工艺制备涂层,爆炸喷涂工艺制备的涂层中除铝元素外,分布较均匀,涂层致密度较低,涂层相对显微硬度较高,结合强度二者一致。     

超音速等离子喷涂制备先进陶瓷涂层的特点

采用最新开发的第二代超音速等离子喷涂系统,通过工艺优化,制备了目前常见的几种陶瓷涂层(如ZrO_2/MCrAlY梯度功能涂层,Nano-ZrO_2涂层,Cr_2O_3以及Ti-Al金属间化合物涂层等),并采用SEM、EDS、TEM、XDR等手段对陶瓷涂层的组织结构进行了分析表征。结果表明,相对于传统的等离子喷涂,上述涂层的致密性和界面结合状态都得到了明显改善。     

Tensile Behavior of Air Plasma Spray MCrAlY Coatings: Role of High Temperature Agings and Process Defects

Metallurgical and Materials Transactions A - $$\beta $$-$$\gamma $$ MCrAlY coatings generally exhibit a brittle mechanical behavior below 600 °C. When exposed at elevated temperatures, the...     

MCrAlY高温第二类热盐腐蚀行为研究

本文针对五种MCrAlY材料进行了700℃的热盐腐蚀试验,通过对材料表面、腐蚀产物、腐蚀截面、腐蚀失重等方面进行分析,研究Co、Cr、Al等MCrAlY的基本元素对700℃下含硫热腐蚀的影响。结果表明,700℃下,腐蚀产物以氧化铬、氧化铝为主,伴随少量尖晶石生成。腐蚀以网状氧化铝形貌向深处蔓延,网状氧化铝的附近往往伴随硫化铬的生成。Co、Cr为抗热盐腐蚀的有益元素,其中,Cr对抗700℃热盐腐蚀的提升作用优于Co元素。     

Overaluminizing of a CoNiCrAlY Coating by Inward and Outward Diffusion Treatments

Overaluminizing is a commercially accepted treatment to enhance high temperature oxidation resistance of MCrAlY overlay coatings. In the current investigation, a low pressure plasma-sprayed CoNiCrAlY coating was aluminized by two different growth modes: outward growth and inward growth. The resultant microstructures were characterized by means of scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, and X-ray diffraction analysis. The results showed that the final microstructure of both types of overaluminized coatings was similar and included Al-rich NiAl and Ni-rich NiAl zones from the top to the bottom. The details of the microstructures are discussed and compared with the results of simple aluminizing of the nickel-based substrate.     

硅钢中合金元素的几种仪器分析方法

概述了硅钢中常见合金元素的种类,介绍了电感耦合等离子体原子发射光谱、电感耦合等离子体质谱、辉光放电发射光谱和X-射线荧光光谱几种仪器测定硅钢中合金元素的方法及分析原理,通过应用实例分析,总结了各种仪器分析方法的优缺点,并对硅钢中合金元素的仪器分析方法的手段与方向进行了展望。     

High-Temperature Oxidation and Oxide Scale Formation in Plasma-Sprayed CoNiCrAlYRe Coatings

MCrAlY coatings are usually adopted to improve the environmental resistance of Ni-based superalloy components of turbine engines against high-temperature oxidation and hot corrosion. In this work, CoNiCrAlYRe coatings were produced by atmospheric plasma spraying. The coatings exhibited relatively low oxygen content and porosity. X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and energy dispersive spectroscopy analyses revealed that the high-temperature exposure at 1383 K (1110 °C) promoted the growth of an oxide scale on the top surface being composed of a continuous and dense Al₂O₃ inner layer followed by an outer mixed layer (Cr₂O₃ and spinels). The oxide scale was mainly composed of Al₂O₃, while the formation of mixed oxides occurred at lesser extent. After high-temperature exposure, the formation of internal oxides in some areas reduced the inter-lamellar cohesion, so that a decrease in microhardness was found.