钛合金表面抗高温氧化涂层的研究进展

钛合金在制造航空航天发动机等关键部件方面具有重要的应用价值,但高温性能不稳定是制约其发展前景的主要原因。采用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐高温涂层,是在不改变钛合金材料整体性能的前提下赋予材料表面特殊性能的重要途径。首先介绍了钛合金的氧化行为,并简要分析了钛合金在氧化过程中的氧化特点及失效形式,指明其改善途径。随后总结分析了目前常用的镍基高温涂层、TiAl系高温涂层和高熵合金高温涂层的研究现状,其中镍基合金涂层具有较高的结合强度、良好的耐磨性和优异的耐蚀性,但由于涂层与基体中元素的扩散速率不同导致的差异,造成柯肯达尔空洞的产生,涂层变得不稳定,涂层与基体的结合强度降低。TiAl基合金的高温性能与镍基高温合金相近,且密度小,有代替镍基合金的发展趋势,其涂层表面可以生成均匀致密的Al2O3氧化膜,并且与钛合金基体间的化学成分差异小,基本不发生互扩散现象。但二元TiAl系涂层对于Al的用量有严格的要求,当其使用温度超过850 ℃时,抗氧化性能也会严重降低。因此Ti-Al-X系涂层中X元素（例如Cr、Si、Ni等元素）的添加,可以适当地降低Al含量,促进均匀致密的Al2O3氧化膜的形成,有效地阻止氧元素向基体的扩散,并且比二元TiAl涂层的脆性要低、塑性更好。高熵合金高温涂层具有许多优异的性能,调整其中某一种或者某几种元素的含量都可以进一步优化性能,因此应用前景极为广阔,但其还处于实验室研究阶段,元素配比的不合理,基体元素对熔覆层的反作用,都会使高熵合金的脆性和力学性能达不到理论效果,不能进入真正的应用阶段。最后展望了激光熔覆技术在钛合金表面制备高温涂层的发展趋势。     

K4104高温合金Al-Si涂层1000℃氧化性能研究

采用带能谱分析的扫描电镜分析了AlSi扩散涂层在1000℃、不同氧化时间条件下的表面形貌、截面组织及成分变化;用增重法记录重量变化,绘制了氧化动力学曲线,对其氧化性能进行了研究.结果表明,AlSi涂层由于Si的加入,促进了θ-Al2O3向α-Al2O3转变,有利于在涂层表面形成致密氧化膜,并且能促进在氧化皮下形成碳化物隔层,抑制涂层元素与基体元素的互扩散,从而使 AlSi涂层的抗氧化性能优于单一Al涂层.     

镍基高温合金GH202表面纳米陶瓷涂层抗高温氧化性能研究

为了弥补高温合金抗高温氧化性能的不足,解决高温力学性能与抗高温氧化性之间的矛盾,在高温合金GH202合金表面增加含纳米高温陶瓷涂层CXM98-1,通过氧化动力学实验和能谱分析技术对涂层/基体合金体系的抗高温氧化性能进行了研究.实验结果得出:含纳米陶瓷涂层能有效的阻滞合金的高温氧化进程,极大的提高了合金的耐高温抗氧化性能.不论有无涂层,在900℃长时间扩散退火过程中,氧均通过涂层或金属表面向基体合金进行扩散,基体合金中的Cr、Al元素向涂层/基体合金界面上坡扩散,环境中氧原子通过涂层向基体合金扩散,在界面处靠涂层一侧主要形成Cr2O3扩散层,界面的基体一侧主要形成Al2O3晶间氧化层;有涂层与无涂层试样的区别在于氧的扩散速率和扩散通量存在快慢、大小的差别.     

Nb521表面改性Si-Cr-Ti涂层的高温氧化行为

利用料浆烧结法在Nb521合金表面制备了Si-Cr-Ti-W和Si-Cr-Ti-Al-Y2O3涂层,并对这两种涂层在1 400℃静态空气中的静态氧化行为进行了测试和研究。利用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)和波谱仪(WDS)对涂层在氧化过程中的微观组织形貌、元素分布和相组成进行了测试和分析,并建立了动态高温氧化模型。结果表明:两种改性涂层的氧化过程都遵循抛物线规律,添加铝、Y2O3和钨均能提高涂层的抗氧化性能。由于Al2O3和SiO2组成的复合氧化膜均匀致密且高温稳定性强,Si-Cr-Ti-Al-Y2O3涂层的抗氧化性能优于Si-Cr-Ti-W涂层的。     

阴极弧离子镀AlCrN涂层高温氧化后XPS分析

采用阴极弧离子镀方法在Ti C基金属陶瓷刀具表面沉积了Al Cr N涂层,进行了900℃下2 h高温氧化试验。通过SEM、EDS、XRD、XPS等手段分析了Al Cr N涂层高温氧化前后表面形貌、元素组成、物相组成及元素结合能,并讨论了Al Cr N涂层高温氧化及失效机理。结果表明,氧化前Al Cr N涂层由Al N、Cr N和Cr2N物相组成,其中Cr N表现出(200)的择优取向,氧化后其物相转变为抗高温的Al2O3、Cr3O4和Ti4O3氧化物;氧化前Al Cr N涂层中Al和N以Al—N键、Cr和N以Cr—N键存在,氧化后Al与O以Al—O键、Cr与O以Cr—O键方式存在,在涂层-基体结合界面处形成了致密的扩散层。     

阴极离子镀TiAlSiN涂层高温摩擦与磨损性能

采用阴极离子镀在H13钢表面制备了TiAlSiN涂层,通过扫描电镜、X射线衍射仪、原子力显微镜分析了涂层表面-界面形貌、物相和三维表面微观形貌。利用EDS面扫描分析了磨痕表面化学元素分布,讨论了高温对涂层摩擦磨损性能的影响。结果表明,TiAlSiN涂层表面主要元素由Ti、Al、Si和N组成,主要物相为(Ti,Al)N,未发现Si3N4相;高温氧化后生成的致密氧化膜Al2O3提高了涂层高温抗氧化性,Si O2降低了涂层表面摩擦因数,结构疏松的Ti O2易导致涂层破裂和剥落;TiAlSiN涂层表面粗糙度高于基体表面粗糙度,磨痕表面Ti和Al元素出现贫集区,表明涂层被磨穿;在700、800和900℃下,涂层表面摩擦因数均在0.3左右,在700℃时磨损机制主要为氧化磨损和粘着磨损,在800℃和900℃时主要为氧化磨损,伴随着少量粘着磨损和磨粒磨损。     

硅改性铝化物涂层的CVD制备工艺

研究了CVD法制备硅改性铝化物涂层工艺。结果表明,采用先渗硅后渗铝的两步法工艺可在Inconel 718表面获得铝-硅涂层。铝-硅涂层分为明显的两层结构,内层富硅,外层富铝。硅的加入阻碍高温条件下Al原子的内扩散,并促进了试样表面Al2O3膜的生成。铝-硅涂层具有比单一的铝化物涂层更为优秀的耐高温氧化性能。     

Ti6Al4V钛合金表面Al2O3颗粒改性微弧氧化涂层制备及性能

微弧氧化技术是一门新的表面处理技术,在很多领域有着广泛的应用前景,但其结构受限于电解液成分。本文通过在磷酸盐电解液中加入Al2O3陶瓷颗粒,使得在Ti6Al4V钛合金表面的微弧氧化涂层结构和性能得到改性。涂层的结构和性能通过扫描电镜和XRD衍射仪进行表征和测试,涂层的抗高温氧化性能和热震性能通过高温热循环氧化试验和热震试验进行测试。结果表明,通过在电解液中添加Al2O3陶瓷颗粒,涂层由Al2TiO5 and TiO2组成,涂层更为致密,表现出更为优异的抗高温氧化和热震性能。电解液中游动的Al2O3陶瓷颗粒在微弧氧化过程中被吸入到样品表面并进入涂层,涂层的结构和性能得到改性。     

等离子喷涂 NiCoCrAlY / Al2 O3 高温固体润滑耐磨涂层的抗氧化性能研究

目的研究等离子喷涂NiCoCrAlY/Al2O3高温固体润滑耐磨涂层在850℃时的高温抗氧化性能和抗氧化机理。方法采用喷雾造粒、化工冶金包覆技术制备NiCoCrAlY/Al2O3复合粉体,并采用等离子喷涂技术在45#钢表面制备NiCoCrAlY/Al2O3复合涂层。采用SEM和XRD研究粉体和涂层的显微结构和物相组成,并采用马弗炉研究复合涂层在850℃的恒温氧化动力学曲线,通过研究氧化96 h以后涂层表面的组织形貌,探讨NiCoCrAlY/Al2O3复合涂层的抗氧化机理。结果 NiCoCrAlY合金层均匀致密地包覆在Al2O3颗粒的表面,包覆层厚度约为3~5μm。复合粉体的主要组成为Al2O3相和NiCoCrAlY合金相,没有其他杂质相的存在。等离子喷涂NiCoCrAlY/Al2O3复合涂层氧化动力学曲线分为大斜率直线、抛物线和系数几乎为0的抛物线等3个阶段。氧化96 h以后,涂层的氧化质量增量为4.9 mg/cm2左右,表面形成了一层连续的氧化物保护膜,经EDX分析,氧化膜层主要由Al,O,Cr和Ni组成。结论等离子喷涂NiCoCrAlY/Al2O3复合涂层具有良好的高温抗氧化性能,涂层中Ni,Cr,Al的氧化以及硬质相Al2O3的加入是涂层抗氧化的主要原因。     

高温合金Al-Si涂层抗高温氧化性能的研究

采用热扩散的方法 ,在K4 38高温合金表面制备了Al Si涂层。经 10 0 0℃× 5 0 0h高温氧化性能试验结果表明 ,K4 38镍基高温合金表面的涂层 ,在高温氧化过程中已转变成致密完整的α Al2 O3氧化层和富铝的 β NiAl和富镍的β NiAl化合物层 ,与基体金属的粘附性良好。Al Si涂层中Si元素的扩散和合理分布能有效的抑制β相的生长 ,延长涂层的退化速度 ,使涂层获得更佳的抗高温氧化性     

沉积偏压对AlCrTiN纳米复合涂层力学与抗高温氧化性能的影响

沉积偏压对涂层的结构与性能具有重要影响,为研究其对AlCrTiN纳米复合涂层成分、组织结构、力学与抗高温氧化性能的影响规律,采用磁控溅射技术,改变沉积偏压(-30、-60、-90、-120 V)制备四种AlCrTiN纳米复合涂层。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、纳米压痕仪等仪器表征涂层的组织结构、成分、力学性能和抗高温氧化性能。研究结果表明：不同偏压下制备的AlCrTiN纳米复合涂层均为NaCl型fcc-(Al,Cr,Ti)N相结构。随着沉积偏压增大,涂层由沿(111)晶面择优生长转变为无明显的择优生长取向,晶粒尺寸降低,残余应力和硬度增大。偏压为-90 V与-120 V时,涂层表面更加致密,具有更高的硬度和弹性模量。在800℃与900℃氧化1 h后,所有涂层表面均生成一层连续致密的Al₂O₃膜。随着沉积偏压增加,氧化膜厚度逐渐降低,表明抗高温氧化性能逐渐增强,这是因为高偏压下涂层组织更致密,且晶粒更细小。研究成果对AlCrTiN纳米复合涂层的综合性能提升与工程化应用具有一定指导意义。     

Ti65合金磷酸盐涂层抗高温氧化性能研究

目的通过表面涂层提高高温钛合金Ti65的抗高温氧化性能。方法采用喷涂法在Ti65合金基体上制备以磷酸铝为粘结剂、Al和Al/SiC为填料的两种磷酸盐抗高温氧化复合涂层。研究Ti65合金和涂层样品在650℃准等温、静态空气条件下的氧化动力学行为。用XRD和SEM/EDS分别对涂层样品氧化前后的物相组成、组织形貌和微区成分进行表征分析;用电子探针(EPMA)分析涂层样品的元素分布情况。结果650℃抗高温氧化实验结果表明,磷酸盐涂层样品的准等温氧化动力学曲线均符合抛物线规律,两种涂层样品的抛物线氧化速率常数kp分别为3.922×10^-2、1.768×10^-2 mg/(cm^2·h^1/2)和2.48×10^-2、3.385×10^-4 mg/(cm^2·h^1/2),均小于Ti65合金,氧化增重显著降低。以Al/SiC为填料的磷酸铝涂层的抗氧化性能最好,氧化1000 h,质量增加0.20 mg/cm^2,约为Ti65基体氧化增重(1.13 mg/cm^2)的1/6。微观分析结果表明,两种磷酸盐涂层样品在650℃准等温氧化后,涂层与基体形成扩散层,生成TiAl3金属间化合物,涂层表面均保持完好,没有裂纹和孔隙,有效阻止了氧元素向Ti65基体的扩散,保护基体不受氧化。结论磷酸盐涂层能有效阻止650℃温度下氧向Ti65合金基体的扩散,具有优异的抗高温氧化性能。     

V-Al-C-N宽温域涂层的制备及其摩擦学行为

目的 设计制备用于高速切削难加工材料的长寿命刀具涂层.方法 采用三靶磁控共溅射技术,通过改变石墨靶材的溅射功率,调控不同润滑相的配比,制备具有不同C含量的V-Al-C-N纳米复合涂层.利用纳米压痕仪和高温摩擦试验机,对涂层的力学性能和摩擦学性能进行检测.采用透射电镜和扫描电镜观察涂层的显微结构和摩擦磨损表面形貌,并分析...     

TC4钛合金微弧氧化膜层高温氧化性能研究

利用微弧氧化(MAO)技术在TC4钛合金表面原位制备陶瓷膜层,并通过硅酸钠水溶液对膜层进行了封孔处理。采用X射线衍射仪(XRD)分析了膜层相组成,通过扫描电子显微镜(SEM)观察了膜层表面形貌。通过粘结拉伸测试,比较了膜层在封孔前后与基体的结合强度。利用高温氧化实验,考察了TC4基体及膜层试样封孔前后的抗高温氧化性能。结果表明:微弧氧化膜层与基体间的结合强度较高,经封孔处理及高温氧化100 h后,膜基结合强度降低至4.29 MPa。与TC4基体相比,微弧氧化膜层的高温氧化增重量小,抗高温氧化性能得到了显著的提高。封孔处理提高了微弧氧化膜层的致密性,使其能更好地阻止氧透过膜层向基体内侵入,进一步提高了膜层的抗高温氧化性能。     

超声电沉积制备Ni-ZrO2纳米复合镀层及其结构和性能的研究

制备了纯Ni镀层和Ni-ZrO2纳米复合镀层,并在沉积过程中引入超声波制备了超声Ni-ZrO2纳米复合镀层,对比分析了3种镀层的微观结构及高温抗氧化性、显微硬度、耐磨性。结果表明,超声电沉积Ni-ZrO2纳米复合镀层晶粒尺寸细小,具有良好的高温抗氧化性能、高的显微硬度和优良的耐磨性,并进一步分析了纳米颗粒和超声波在提高镀层性能方面所起的作用。     

Dependence of Microstructure and Hardness of Nanocomposite Coatings of nc-(Ti_(1-x)Al_xN)/a-Si_3N_4 on Aluminum Contents

HARD COATINGS are finding a widely applicationin machining industries as tools and moulds since1980s[1].Hard coatings consisting of a variety of thetransition metal nitrides,for instance,TiN,TiC,TiCN,TiBN,TiAlN,CrN etc,usually service as a protectioncoatings that requires some better properties ofwear-resistance,corrosion-resistance and also highfatigue-strength especially at elevated temperature(formore details see Ref.2-6).The generic concept for the design of novelsuper-hard(>40G…     

镍基合金上Pt-Al涂层的高温氧化行为研究

采用电镀铂之后渗铝的方法在GH586镍基高温合金上制备铂铝(Pt-Al)涂层,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪、电子能谱仪等方法研究分析其高温抗氧化性能。结果表明,Pt-Al涂层具有优良的抗高温氧化性能,Pt的加入,在涂层与基体的互扩散中起到了扩散障的作用,抑制了基体合金元素向外层扩散,优化了材料的选择性氧化。同时,对Pt元素在其中的作用机制进行探讨     

磁控溅射法制备ZrAlYN涂层的结构和性能

采用磁控溅射技术在YG8硬质合金基体上分别沉积了ZrAlYN涂层和ZrAlN涂层,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及原子力显微镜研究了Y元素的添加对ZrAlN涂层微观结构、断口和表面形貌的影响,同时对ZrAlYN和ZrAlN涂层的热稳定性和抗高温氧化性能进行了研究;采用纳米压痕技术对ZrAlYN和ZrAlN涂层的力学性能进行了比较。结果表明:Y元素的添加使ZrAlN涂层的微观结构发生了明显变化,从原来的(111)和(200)共同择优取向转变为(200)占主导;ZrAlYN和ZrAlN涂层的断口都呈非柱状结构,且ZrAlYN涂层的表面粗糙度小于ZrAlN涂层的;相比ZrAlN涂层,Y元素的加入使ZrAlYN涂层的热稳定性和抗高温氧化性有显著提高;硬度略有提高,而弹性模量降低,因此硬模比高于ZrAlN涂层,这表明ZrAlYN涂层具有更好的抵抗塑性变形的能力。     

简单/改性铝化物涂层的研究现状

航空发动机各部件高温结构材料在苛刻环境下服役时,会遭受严重的高温氧化和热腐蚀.在合金表面施加铝化物涂层后,高温下表面能够生成一层致密且生长缓慢的Al2O3氧化膜,从而隔绝腐蚀介质,以防止合金被快速氧化腐蚀.概述了铝化物涂层的优点,包括制备简单、成本低廉.重点综述了以Ni、Fe、Ti/TiAl为合金基体的铝化物涂层微观结构.涂层的微观结构主要由渗铝工艺、基材成分及后处理工艺等因素决定,渗铝工艺包括渗剂成分、渗铝温度和渗铝时间.在高温下渗铝,Al的活度较低,涂层主要以基体元素向外扩散形成外扩散型涂层为主;在低温下渗铝,Al的活度较高,涂层主要以Al向内扩散形成内扩散型涂层为主.还归纳了不同渗铝涂层在干燥空气和水蒸气环境中的高温氧化行为,阐述了水蒸气对铝化物涂层高温氧化行为的影响,比较了Ni-Al系和Fe-Al系涂层的抗高温氧化性能.同时介绍了Cr-Al、Si-Al和Pt-Al 3种改性铝化物涂层的研究进展,包括制备方法、微观结构及抗高温氧化和腐蚀性能.最后,展望并总结了高温防护涂层的发展趋势.     

High temperature oxidation of HFPD thermal-sprayed MCrAlY coatings in simulated gas turbine environments

NiCrAlY and CoNiCrAlY powders were thermal-sprayed using the high frequency pulse detonation method (HFPD) onto AISI 310 austenitic stainless steel samples to obtain dense, adherent, high temperature oxidation resistant coatings. The oxidation behavior of both types of coatings in a 1000°C simulated gas turbine environment was experimentally determined. The porosity, hardness, coating thickness, and microstructure were not significantly modified by the high temperature oxidation cycles, but the internal oxidation increases significantly after a very low oxidation time. Surface phase composition was evaluated using x-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) techniques, revealing the formation of a continuous and highly protective alumina layer. The oxidation kinetics of both coatings can be characterized by parabolic rate constants, which are very close to those for the formation of aluminum oxide on nickel or cobalt based alloys at similar conditions.