【摘要】：熱障涂層(TBCs)技術(shù)屬于現(xiàn)代航空、航海、地面燃機(jī)等軍民兩用的高端技術(shù),不斷提高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役溫度對(duì)高性能熱障涂層的制備及性能要求日益增大。抗高溫氧化性能是判斷熱障涂層服役壽命重要的依據(jù)之一,同時(shí)也是檢驗(yàn)熱障涂層基本性能的指標(biāo)。MCrAlYX型涂層因具有良好的抗高溫氧化和抗腐蝕性能而常被用作熱障涂層的粘結(jié)層。在高溫服役環(huán)境下,MCrAlYX粘結(jié)層表面會(huì)生成一層熱生長(zhǎng)氧化物(TGO),TGO的非受控生長(zhǎng)是整個(gè)涂層系統(tǒng)剝落失效的最關(guān)鍵因素。TGO的生長(zhǎng)和演化行為與MCrAlYX涂層的微觀形貌、相結(jié)構(gòu)、晶粒大小等因素密切相關(guān)。本文通過強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)表面改性技術(shù)對(duì)電弧離子鍍(AIP)沉積的NiCoCrAlYSiHf涂層表面微觀結(jié)構(gòu)實(shí)施有效調(diào)控,實(shí)現(xiàn)對(duì)TGO生長(zhǎng)和演化行為的干預(yù)和控制,進(jìn)而改善涂層的抗高溫氧化性能。通過X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和三維激光掃描顯微鏡(3D-LSM)等表征手段對(duì)HCPEB改性前后以及高溫氧化過程中的涂層微觀組織和表面形貌的演變進(jìn)行詳細(xì)表征及分析。建立脈沖電子束輻照下表面微觀結(jié)構(gòu)-TGO受控生長(zhǎng)-高溫服役性能三者的關(guān)系,探索改性機(jī)理,進(jìn)而提出一種提高NiCoCrAlYSiHf涂層高溫服役壽命的改性方法,為提高M(jìn)CrAlYX型涂層及熱障涂層壽命穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性提供可靠的技術(shù)路線。微觀組織分析表明,AIP沉積的NiCoCrAlYSiHf涂層由大量尺寸不等的顆粒堆積疊加而成,涂層表面粗糙不平,高低起伏程度較大,分布著大量的島狀團(tuán)簇大顆粒,涂層內(nèi)部由尺寸不等的等軸晶構(gòu)成;該涂層相組成為γ/γ’、β-NiAl和NiCoCr相。AIP-NiCoCrAlYSiHf涂層在經(jīng)過HCPEB輻照后,涂層表面發(fā)生重熔,變得十分平整、光滑且致密,涂層表面得到凈化,成分均勻性得到改善;重熔層厚度隨轟擊次數(shù)的增加而逐漸增加,30次輻照處理后涂層內(nèi)部由柱狀晶組成,重熔層表層形成大量尺寸極其細(xì)小的Y_2Al納米顆粒及高密度位錯(cuò)纏結(jié)結(jié)構(gòu)。1050℃高溫氧化實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:原始AIP-NiCoCrAlYSiHf涂層進(jìn)行2h高溫氧化后,β-NiAl相減少,形成了主要由α-Al_2O_3和少量的混合氧化物組成的薄且厚度不均勻的TGO層,大顆粒區(qū)域出現(xiàn)內(nèi)氧化現(xiàn)象;高溫氧化20h后,β-NiAl相消失,TGO厚度增加,TGO表面穩(wěn)態(tài)α-Al_2O_3及亞穩(wěn)態(tài)θ-Al_2O_3并存;高溫氧化50h后,TGO疏松多孔且成分復(fù)雜,突起區(qū)域開始出現(xiàn)貫穿式裂紋甚至剝落;氧化100h后,TGO部分突起處出現(xiàn)剝落,內(nèi)氧化加劇并擴(kuò)展至涂層內(nèi)部;高溫氧化200h后,TGO表面出現(xiàn)大面積剝落并留下凹坑,TGO由混合氧化物構(gòu)成,內(nèi)部十分疏松而且出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)氧化的現(xiàn)象,涂層完全失效。涂層的高溫氧化過程大致可以分為三個(gè)階段:第一階段:快速氧化階段,該階段氧化膜增厚明顯,涂層的氧化增重速率較大。第二階段:氧化減緩階段,涂層的氧化增重速率減緩。第三階段:復(fù)雜氧化階段,涂層的氧化增重速率增加較快,氧化動(dòng)力學(xué)曲線呈現(xiàn)加速上升趨勢(shì)。相比之下,30次HCPEB轟擊處理后,NiCoCrAlYSiHf涂層在高溫氧化2h后,重熔層表面生成一層薄且主要由Al_2O_3組成的氧化膜;隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng),Al_2O_3逐漸變得更加連續(xù)、致密,其厚度逐漸增加,但生長(zhǎng)速率極其緩慢;直至高溫氧化200h后,涂層表面依舊由單一的Al_2O_3所構(gòu)成,此時(shí)TGO的厚度僅有3μm,且涂層內(nèi)部無任何內(nèi)氧化的痕跡。HCPEB處理后AIP-NiCoCrAlYSiHf涂層氧化的動(dòng)力學(xué)曲線近似拋物線,HCPEB誘發(fā)產(chǎn)生的輻照效應(yīng)有利于氧化膜快速形成,并使TGO緩慢增長(zhǎng),氧化增重速率減緩。處理后涂層的氧化增重和氧化膜增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始涂層。MCrAlY涂層的抗高溫氧化性能得到顯著改善。
【圖文】：

脈沖電子束作用下電弧離子鍍 NiCoCrAlYSiHf 涂層微觀結(jié)構(gòu)及高溫氧化性能研究提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。在六七十年代，，出現(xiàn)了 Ni-Al、Pt-Al、Al-Si、Al-C化物涂層[8]。此后，由于電子束噴涂和低壓等離子噴涂等技術(shù)的使用，出現(xiàn)了 MCrAM=Ni、Co 或 Ni+Co, X=Si、Hf 等元素) 涂層。MCrAlYX 是一種常用的耐高金材料，具有良好的抗高溫氧化、熱腐蝕性能、抗高溫蠕變與韌性。MCrA Ni 或者γ-Co 固溶體為基體，β-NiAl 或β-CoAl 為強(qiáng)化相[9]。到了九十年代，陶瓷熱障涂層開始發(fā)展。通常情況下，陶瓷熱障涂層按結(jié)同可分為三類：雙重系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、多層系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)。雙重系統(tǒng)由陶、粘結(jié)層組成；梯度、多層系統(tǒng)這兩種結(jié)構(gòu)的涂層工藝復(fù)雜，不易重復(fù)制有許多應(yīng)用技術(shù)問題尚未得到圓滿解決，限制了其實(shí)際應(yīng)用[10]�？紤]工藝層熱障涂層系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，如圖 1.1 所示。

圖 1.2 電弧離子鍍?cè)韴DFig.1.2 Schematic of arc ion plating涂層特點(diǎn)為：涂層均勻致密。層與基體材料結(jié)合良好。在進(jìn)行電弧離子鍍的過程中可以有效去除基體上的各種氧化物和雜質(zhì)，形成潔凈表結(jié)合。度快。于形狀復(fù)雜的工件。靶材蒸發(fā)成為原子或分子會(huì)與腔而導(dǎo)致散射，使基體的背陰面也能進(jìn)行沉積。圍廣�？筛鶕�(jù)實(shí)際的要求，靈活的選擇靶材，以得到。凸不平并存在大顆粒。所謂大顆粒，是由于陰極材料
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V263

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2641001