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        等離子噴涂其強度較低、熱穩定性低的缺點逐漸顯現出來

        更新時間  2021-11-02 16:53:58 閱讀

            等離子噴涂MCrAlY涂層作為一種典型的熱障涂層(TBC),已經成功應用于汽輪機葉片、飛機發動機等重要工業設備部件的表面。作為熱障涂層,其必須具有較低的熱導率、抗熱震性能及高溫耐氧化性能。隨著工業技術的不斷發展,傳統MCrAlY涂層作為傳統的TBC涂層,已經不能滿足一些特殊工況下的使用要求,其強度較低、熱穩定性低的缺點逐漸顯現出來。

            氧化物陶瓷具有許多優良的化學和物理性能,如硬度高、耐磨性好、高溫穩定性和化學穩定性好、熱導率低等,已被廣泛應用于各類耐磨材料中。將氧化物陶瓷添加到MCrAlY涂層中,可使涂層具有優異的力學性能與抗高溫氧化能力。

            今天,我們將來看看兩種不同的氧化物陶瓷Al2O3和Cr2O3的添加會對MCrAlY涂層的抗高溫氧化性能有何影響,及其高溫氧化理。

            試樣制備

            試驗采用商用MCrAlY(NiCoCrAlYTa),Al2O3,Cr2O3粉末,其粒徑分布集中在15~45μm,粉末形態

            使用機械混合方法,將氧化物陶瓷粉末與MCrAlY粉末進行混合,兩種混合粉末中的氧化物陶瓷質量分數均為30%。采用美國普萊克斯公司3710等離子噴涂控制系統及SG-100型等離子噴槍進行大氣等離子噴涂試驗。選用0Cr25Ni20不銹鋼作為大氣等離子噴涂的基體材料,噴涂前對基體表面進行噴砂粗化處理。噴涂工藝參數為:噴涂電壓40V,噴涂電流500A,送粉速率45g·min-1,噴涂距離80mm。兩種涂層粉末成分。

           

            試驗儀器

            1.Olympus-BX51M光學顯微鏡

            2.MHV-2000型顯微維氏硬度計

            3.RJX-8-13箱式電阻爐

            4.6510A型掃描電子顯微鏡及其配套的能譜儀

            5.BrukerD8-Advanced型X射線衍射儀

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            高溫氧化試驗標準

            參照的是航空標準HB5258-2000?鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法?和國標GB/T13303-1991?鋼的抗氧化性能測定方法?,采用的是試樣不連續稱重法,也稱為涂層循環氧化法。

            涂層組織與基本性能

            涂層中存在Cr2O3,Ni3Al,Al2O3三種物相。在2θ≈45°附近,涂層的衍射峰有著明顯的寬化現象,表明涂層中存在著部分非晶或納米晶,這說明熔融顆粒在形成涂層的過程中,其冷卻速率達到了非晶形成冷卻速率,從而形成了非晶態組織。

            涂層厚度約為200μm,呈平行于涂層與基體結合面的層狀分布,涂層中存在著一些半熔化顆粒、微裂紋和灰黑色氧化物。

          C1涂層與C2涂層的孔隙率、顯微硬度都相接近,其中C1涂層的孔隙率略低于C2涂層的,C1涂層的顯微硬度則略高于C2涂層的,從而證明等離子噴涂涂層孔隙率越低、顯微硬度越高的規律。

            涂層的氧化動力學曲線

            在初始的20h內,各組涂層的氧化動力學曲線均呈快速上升趨勢,說明在此時間段內,涂層的表面未形成完整連續的抗氧化膜,其在高溫環境中發生了劇烈的氧化反應,產生了較多的氧化產物,因此其質量增加較快。在20~40h這個時間段內,兩種涂層的氧化動力學曲線上升趨勢均有所減緩,這可能是由于在涂層的表面已經逐漸形成了連續穩定的抗氧化膜,阻止了氧進入涂層的通道,減緩了涂層表面氧化反應的速率。在40h后,涂層的氧化動力學曲線呈現緩慢上升的態勢;100h后,C1涂層與C2涂層的氧化質量增加十分接近,達到6mg·cm-2。

         采用Matlab軟件依據最小二乘法對涂層的質量變化進行擬合,并求出曲線方程,結果如表3所示。700℃時,兩種涂層擬合的氧化動力學曲線方程的二次項和一次項系數分別為-2.649×10-4和0.055。

            涂層氧化形態和成分

               在氧化過程中生成的各種氧化物中,由鋁元素氧化生成Al2O3的吉布斯自由能最低,且所需的最低氧分壓也最小。這表明,在同一氧化氣氛下的各種元素競爭氧化過程中,鋁元素具有優先氧化的趨勢,涂層表面的Al2O3膜極易形成。

              C1涂層表面出現了較多的白亮絮狀物,經能譜分析,其中鉻和氧的含量較高,初步判斷為Cr2O3;氧化后的C2涂層表面較C1涂層的更為平整,其表面出現了一些球狀氧化物,還出現了條狀裂紋,說明此時的C2涂層已經出現了結構性的破壞。對C2涂層表面生成的球狀氧化物進行能譜分析,發現其含有氧、鋁、鉻、鈷等多種元素,初步判斷其為多合金成分的氧化物。

            

            (1)大氣等離子噴涂MCrAlY-CrO和MCrAlY-AlO涂層中存在Cr2O3,Ni3Al,Al2O3三種物相,且存在部分非晶相,這是由于熔融顆粒在形成涂層的過程中,其冷卻速率達到了非晶形成冷卻速率,從而形成了非晶態組織。

            (2)涂層結構呈平行于涂層與基體結合面的層狀結構,涂層中存在著一些半熔化顆粒、微裂紋和灰黑色氧化物,且這些微裂紋都平行于涂層與基體結合面方向。

            (3)MCrAlY-CrO和MCrAlY-AlO涂層在高溫氧化初期階段,其氧化速率較快,后期氧化速率逐漸趨緩。在高溫狀態下涂層表面分別生成了鉻和鋁的氧化產物,對涂層起到了保護作用。


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