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。     

先进高温热障涂层用高性能粘接层制备及研究进展

热障涂层能显著提高航空发动机的效率和推重比,具备保护关键热端部件(例如涡轮叶片)能力而获得广泛运用,其构成一般由外表面的陶瓷隔热层和抗高温氧化的中间粘接层组成。在热障涂层体系中,粘接层抗高温氧化性能的好坏直接决定了热障涂层体系的服役性能和寿命,因此受到相关研究者的关注。金属Pt改性的粘接层具有优异的抗高温氧化和热腐蚀综合性能,特别是表面生成的连续致密Al2O3氧化膜抗剥落性强,是高温防护金属粘结层的优选方案。本文重点介绍了Pt改性MCrAlY粘接层和Pt改性铝化物涂层的研究现状和进展,并且论述了制备方法与原理及其特点,对先进Pt改性粘接层的发展趋势进行了展望。     

四种典型高温防护涂层的抗氧化性能

目的系统地评价典型高温防护涂层的抗高温氧化性能,并分析其失效机制。方法通过对比普通Ni Al涂层、NiCrAlY涂层、Pt改性Ni Al涂层以及Pt+Hf共改性Ni Al涂层等四种典型高温防护涂层在1100℃的恒温氧化行为,从氧化过程中的氧化增重、组织结构演变规律等角度出发,分析了四种涂层在高温氧化过程中的抗氧化性能以及氧化失效规律。结果四种涂层在1100℃恒温氧化过程中的增重均符合抛物线规律。普通Ni Al涂层氧化膜粘附性能较差,氧化膜快速剥落,涂层退化最快。NiCrAlY涂层中Y元素在氧化膜/涂层界面形成"钉扎"作用,显著提高氧化膜的粘附性能,但由于涂层内部Al元素含量降低,涂层1100℃氧化300 h后基本失效。Pt改性Ni Al涂层的氧化膜较为完整,但氧化膜起伏严重。Pt+Hf共改性Ni Al涂层的氧化膜均匀完整且无明显起伏,具有综合最优的抗高温氧化性能。结论四种涂层的抗高温氧化性能排序为:Pt+Hf共改性Ni Al Pt改性NiAl普通Ni AlNiCrAlY。     

航空发动机用高温防护涂层研究进展

航空发动机热端部件服役环境恶劣,往往遭受机械载荷、高温、腐蚀、冲蚀等多种耦合作用。目前先进航空发动机热端部件无一例外地采用高温防护涂层以提高高温部件的使用温度,延长部件服役寿命,提高发动机效率。针对热端部件具体的服役环境特点,合理的设计和选择高温防护涂层体系对于提高发动机性能具有重要意义。文中对国内外近年来航空发动机热端部件的高温防护涂层设计、材料、制备工艺等方面进行了综述,展望了航空发动机用高温防护涂层的研究和应用发展趋势。     

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.     

高能高速等离子喷涂MCrAlY涂层的抗高温氧化性能

为提高Ni3Al基高温合金IC6的抗高温氧化性能,采用高能高速等离子喷涂设备在其表面制备了MCrAlY涂层,测试了1 000℃高温条件下经300h氧化后涂层的抗氧化性能。结果表明:300h试验后,涂层的单位面积氧化增重为5.584g/m2,氧化速率为0.019g/m2·h,达到了完全抗氧化级。分析认为:高能高速等离子喷涂工艺制备的MCrAlY涂层与基体结合紧密,孔隙、裂纹及氧化物夹杂含量少,有效的阻隔了氧气的扩散通道,使得氧化物的生长缓慢。同时在高温氧化过程中,涂层表面生成了大量的Al2O3膜,阻碍了金属原子与氧原子的扩散,降低了涂层的氧化速率。另外涂层中含有的Y及Y2O3增加了氧化膜的粘附性,对氧元素的扩散具有抑制作用。     

TiAl合金表面EB-PVD制备热障涂层及高温抗氧化性能

利用EB-PVD技术在Ti Al合金表面制备了扩散铝/YSZ热障涂层。采用SEM、EDS和XRD分析了涂层原始及高温氧化后的微观组织及相组成,并测试了高温氧化性能。结果表明:涂层表面YSZ层为致密柱状晶结构,由非平衡四方相t′-ZrO_2组成。Ti Al合金沉积了扩散铝/YSZ热障涂层后高温氧化性能显著提高,氧化动力学曲线呈对数变化规律,900℃高温氧化时,氧化速率为2.2×10~(-5) mg/cm~2·h。1000℃高温氧化时,氧化速率为1.14×10~(-3) mg/cm~2·h。在高温氧化过程中,粘结层与基体之间发生元素扩散,膜基界面消失。在面层与中间粘结层之间形成了均匀连续的热生长氧化物层TGO。     

电沉积新型纳米复合MCrAl(Y)涂层的研究进展

热生长保护性Cr₂O₃膜或Al₂O₃膜的MCrAlY涂层,因其与高温金属结构材料的物理相容性好,被广泛用于航空航天等领域的热端结构件的高温防护。目前主要采电子束物理气相沉积、磁控溅射、离子镀、热喷涂等物理方法制备。系统总结了采用纳米复合电沉积技术制备新型纳米复合型MCrAlY涂层的相关研究工作,对其中涉及的纳米复合电沉积和“电泳+电沉积”2种不同的制备方法进行了介绍,概述了基于MCrAl(Y)纳米复合涂层结构特征的选择性氧化模型,阐明了这类涂层相较于传统MCrAlY涂层具有更加优异的抗高温腐蚀性能的“纳米尺寸效应”,重点评述了涂层的组成结构与其高温腐蚀行为之间的关联,以及在此基础上构建的代表涂层成分与表面氧化膜类型关系的涂层氧化图,最后提出了该技术后续可拓展应用于涂层/金属-陶瓷扩散障体系的一体化制备,并对这种新型的纳米复合MCrAlY涂层的未来研究方向与应用前景进行了展望。     

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     

活性元素对合金高温氧化的作用机制

合金内添加微量活性元素可以显著改善合金的抗高温 氧化性能.活性元素效应已在高温合金和抗高温氧化的防护涂层上得到大量应用,而其微观 作用机制尚未完全明了.本文综述了已有的活性元素微观作用模型,并分析了各种模型存在 的缺点,对国内的研究成果也作了总结.同时指出未来着重解决的问题.     

高温吸收剂研究进展及改性碳化硅吸波特性

针对装备高温部位雷达隐身需求,论述了高温吸收剂的研究现状和最新进展.采用改性碳化硅高温吸收剂,制备了高温吸波材料,在室温和580℃高温下,材料在26.5～40 GHz频段内的反射率均小于-10dB,具有良好的吸波性能.     

Observations on the role of oxide scales in high-temperature erosion-corrosion of alloys

The results are presented of exposure to a controlled high-temperature erosive gas stream of a series of alloys, which were selected to represent the range of microstructures and mechanical properties available in commercial high-temperature alloys. Analysis of the kinetic and morphological data suggested that the high-temperature oxidation behavior of a given alloy plays a very important role in determining its erosion-corrosion behavior under the conditions studied. In terms of relative behavior, alloys which are weak but ductile at temperature, and which form tenacious oxide scales, exhibited the highest resistance to high-temperature erosion-corrosion. Simple models were developed to describe the expected interaction between high-temperature oxidation and erosion.     

Chloridation-oxidation of nine commercial high-temperature alloys at 800°C

Chloridation-oxidation studies of nine commercial high-temperature alloys were carried out at 800°C in three different H₂-HCl-H₂O() environments: (A) both low HCl and H₂O() partial pressures, where either Cr₂O₃ or FeCr₂O₄ is stable, (B) both high HCl and H₂O() partial pressures, where FeCrO₄ is stable and CrCl₂ is metastable, and (C) high HCl partial pressure in the absence of H₂O(), where either CrCl₂ or Cr₂O₃ is stable. Although alloy 600 has the lowest Cr content of these nine alloys, it showed excellent corrosion resistance in all three environments because of its high Ni content. Alloy 304, with the lowest Ni content of the nine alloys, exhibited poor corrosion resistance in the environment C, fair resistance in the environment B and good resistance in the environment A. Alloy 800 showed very good resistance in Environment A, and fair corrosion resistance in Environment B; however, it suffered linear weight-loss kinetics when exposed to Environment C The alloys 617, 214, HR-160, X, 230 and 86 have good corrosion resistance in Environments A and B because of their relatively high contents of oxide-scale-forming elements Cr and/or Al. In Environment C, chlorine dramatically decreased the adhesion of the scale on the surface, and aluminum in alloys 617 and 214 hardly showed its usual beneficial effect in combating corrosion, nor does silicon in alloy HR-160. Different corrosion mechanisms are proposed for the alloys in the different environments.     

含铁铜基陶瓷复合材料高温氧化行为与耐磨性研究

在25,250,350和450℃高温摩擦磨损实验条件下,对两种不同铁含量的Cu基摩擦材料进行高温氧化行为及耐磨性研究。结果表明:Fe在Cu基体中的尺寸、分布影响Cu基摩擦材料的高温抗氧化性和耐磨性,随实验温度升高,Cu基摩擦材料试样中Cu氧化产物为Cu2O,Fe从Fe2O3转变为Fe3O4,金属氧化膜厚度逐渐增加;Fe以小尺寸、均匀分布于Cu基体时,更有利于提高Cu基体整体的抗氧化性能,在350~450℃可形成稳定的氧化膜降低粘着磨损,展现出了较好的高温耐磨性能;而Fe以较大尺寸分布在Cu基体中时,则使Cu基体出现氧化不均匀现象,不利于高温耐磨性能的提高。     

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。     

不同Cr含量的Ni-Cr合金熔覆层的高温氧化和热腐蚀特性

采用激光熔覆技术制备了Cr质量分数为10%、20%和40%的Ni-Cr合金熔覆层,研究了其在900 ℃下的高温氧化特性和600 ℃下Na₂SO₄+25% K₂SO₄混合盐中热腐蚀特性。结果表明,Cr含量对熔覆层的高温特性起着关键作用。提高Cr含量对提升熔覆层抗硫酸盐诱导的热腐蚀能力比提升抗循环高温氧化能力更有效。Cr40涂层抗高温氧化和热腐蚀性能最佳。Cr10的氧化产物以NiO为主,极易脱落,内部氧化严重。虽然Cr40表面可以形成单一的Cr₂O₃层,但热应力和生长应力引起的富Cr氧化物内部开裂,使Cr40的抗循环高温氧化能力仅略好于Cr20。面对热腐蚀时,Cr10表面呈现层状NiO和Ni₃S₂叠层分布的腐蚀产物,内部腐蚀区也生成了Ni的硫化物。Cr20表面Cr₂O₃层被破坏,内部腐蚀严重,生成了CrS。Cr40表面生成了致密的Cr₂O₃保护层,有效地防止了进一步腐蚀。     

ADVANCED NICKEL-BASED AND NICKEL-IRON-BASED SUPERALLOYS FOR CIVIL ENGINEERING APPLICATIONS

The use of high-temperature materials is especially important in power station construction, heating systems engineering, furnace industry, chemical and petrochemical industry, waste incineration plants, coal gasification plants and for flying gas turbines in civil and military aircrafts and helicopters. Particularly in recent years, the development of new processes and the drive to improve the economics of existing processes have increased the requirements significantly so that it is necessary to change from well-proven materials to new alloys. Hitherto, heat resistant ferritic steels sufficed in conventional power station constructions for temperatures up to 550℃ newly developed ferritic/martensitic steels provide sufficient strength up to about 600 - 620℃. In new processes, e.g. fluidized-bed combustion of coal, process temperatures up to 900℃ occur. However, this is not the upper limit, since in combustion engines, e.g. gas turbines. Material temperatures up to 1100℃ are reached locally. Similar development trends can also be identified in the petrochemical industry and in the heat treatment and furnace engineering. The advance to ever higher material temperatures now not only has the consequence of having to use materials with enhanced high-strength properties, considerable attention now also has to be given to their chemical stability in corrosive media. Therefore not only examples of the use of high-temperature alloys for practical applications will be given but also be contributed to some general rules for material selection with regard to their high-temperature strength and corrosion resistance.     

稀土改性Fe-Ni基涂层的高温性能

为提高Fe-Ni基涂层的高温性能,在Fe-Ni基合金粉末中添加La2O3和Ce2O3的混合物,对涂层的高温氧化行为和高温耐磨损性能进行研究.结果表明:稀土改性Fe-Ni基涂层组织细密、晶粒细小、形成稀土化合物LaNi4Si、Ce2Ni22C3以及硬质相Cr3Si;稀土改性Fe-Ni基涂层具有良好的高温抗氧化性能,在氧化初期,涂层质量迅速增加,氧化动力学曲线符合抛物线规律,在氧化后期,氧化动力学曲线符合直线规律,质量增加缓慢.高温抗氧化性能的提高和Cr3Si硬质相的弥散分布使涂层的高温耐磨性能得到显著的提高.     

铝化物高温防护涂层的现状

介绍了高温防护涂层的主要类型、制备方法及其失效方式，重点突出了铝化物涂层在高温防护领域的重要性和高温涂层、高温氧化问题研究的重要性，从而点出了应该进一步深人地研究铝化物涂层高温氧化规律的重要意义。     

稀土6063铝合金热变形性能研究

采用金属型铸造获得稀土6063铝合金铸坯,并进行高温拉伸和高温压缩试验,以研究稀土6063铝合金的热变形性能.结果表明,稀土6063铝合金较佳的热变形加工温度为440～550℃.