镍基单晶高温合金扩散阻挡层的研究进展

综述了镍基单晶高温合金扩散阻挡层的国内外研究进展。简要介绍了高温防护涂层/镍基单晶高温合金基体元素的互扩散现象,说明了扩散阻挡层的作用机理,阐述了扩散阻挡层的设计原则和要求,通过对比分析了各类扩散阻挡层的优缺点。最后对镍基单晶高温合金用扩散阻挡层的研究做出了展望。     

NiCoCrAlYHf涂层与一种Ni基单晶高温合金循环氧化行为研究

在第三代Ni基单晶高温合金上制备NiCoCrAlYHf(HY5)高温抗氧化涂层,采用扫描电镜(SEM),能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等手段,对涂层表面及界面进行组织形貌观察和相结构分析,研究涂层试样的循环氧化动力学和元素互扩散行为。结果表明:采用真空电弧镀(AIP)方法制备的HY5涂层,提高了单晶高温合金的循环抗氧化能力;在1100℃大气环境中扩散600h后,涂覆HY5涂层的单晶高温合金基体中形成了互扩散区IDZ,互扩散主要由Cr,Ni元素从基体向高温抗氧化涂层的外扩散以及Al元素从高温抗氧化涂层向基体的内扩散构成;在涂层下方60μm左右有拓扑密堆相TCP析出,并形成二次反应区SRZ。     

GH3030合金NiCrAlYSi涂层的高温防护性能

采用等离子喷涂法制备的航空发动机涡轮部件不能满足抗高温和热腐蚀需求。采用真空电弧离子镀技术(AIP)在GH3030镍基高温合金上制备170～180μm厚的NiCrAlYSi涂层,研究了该涂层700℃下的高温氧化行为和760℃下的燃气热腐蚀行为。结果表明:经过长时间的氧化,NiCrAlYSi涂层表面形成了以Al2O3,Cr2O3为主的氧化膜,提高了其抗高温氧化性能;经过760℃,100h燃气腐蚀试验后,NiCrAlYSi涂层主要由Ni3Al和α-Cr相组成,NiCrAlYSi涂层明显改善了GH3030合金的抗低温热腐蚀性能。     

K4104镍基高温合金Al-Si涂层高温氧化过程中的元素扩散分析

采用无机盐料浆法在K4104镍基高温合金表面制备Al-Si涂层。依据GB/T13303-91《钢的抗氧化性能测定方法》标准,采用静态增重法对有涂层试样和无涂层试样进行了1000℃×200h抗高温氧化性能试验,并绘制了氧化动力学曲线。用带能谱扫描电镜对氧化膜的表面形貌和截面组织进行分析,研究有无涂层试样在高温氧化过程中的元素扩散。结果表明:Al-Si涂层和基体合金之间在高温氧化过程中的互扩散形成了厚度为120~140um的渗层。随着氧化时间的延长,外层铝含量逐渐降低,但仍能保持稳定的β-NiAl相。Si在扩散作用下形成内高外低的分布形式,形成的Cr3Si和富Si的M6C相有利于阻止涂层和基体元素之间的互扩散,降低化合物层的形成速度,体现了Al-Si涂层良好的抗高温氧化能力。     

合金元素在MCrAlY涂层中的行为

采用电弧离子镀在新型r-Ni3Al基高温合金IC－6上沉积Ni-Cr-Al-Y和Ni-Co-Al-Y涂层,研究了元素对MCrALY涂层性能及元素行为的影响,结果表明,在沉积过程中,合金中的Al和Mo元素抑制了Cr从涂层向基体扩散,使涂层中的Cr维持在较高浓度,真空扩散处理时,涂层和基体之间发生互扩散,使涂层－基体元素浓度呈梯度分布,减小了涂层和基体热膨胀系数的差别,同时涂层的相结构也发生变化,r-Ni3Al和r-Ni仍是涂层的主要相,但是由于Cr原子的取代作用致使晶格常数a0发生变化,等温氧化实验表明,Ni-Cr-Al-Y和Ni-Co-Cr-Y涂层氧化规律遵循抛物线规律,900℃静态空气等温氧化时,Ni-Cr-Al-Y涂层中加入Co对其抗氧化性能的影响不大,1000℃静态空气等温氧化时,Ni-Cr-Al-Y涂层中加入Co后,降低了其抗氧化性。     

K3合金复合涂层高温防护性能研究

采用电弧离子镀技术在K3镍基高温合金基材上分别沉积NiCrAlYSi涂层和NiCrAlYSi AlYSi沉积-扩散型复合涂层,研究两种涂层在1100℃下的高温氧化行为和900℃下的燃气热腐蚀行为.结果表明,NiCrAlYSi AlYSi复合涂层具有比单一的NiCrAlYSi涂层更加优良的抗高温氧化性能,而NiCrAlYSi涂层的抗燃气热腐蚀性能则优于NiCrAlYSi AlYSi复合涂层.     

纳米晶镍涂层与基体的界面扩散研究

在不同温度下(150℃~500℃)对电沉积纳米晶镍镀层与低碳钢基体进行低温扩散退火热处理。利用扫描电子显微镜(SEM)的背散射电子(BSE)像及附带的能量色散谱(EDS)考察了热处理后样品中涂层与基体界面上的相结构变化及过渡层的形成。结果表明,在250℃~500℃范围进行低温扩散退火可以有效促使纳米晶镍涂层与基体界面上原子的互扩散,形成扩散过渡层,同时界面上形成了新的相结构。     

抑制镍基/热障涂层粘结层元素互扩散的研究进展

航空发动机Ni基高温合金涡扇叶片在高温环境服役时,镍基合金基体将与热障涂层粘结层发生元素互扩散.系统论述了元素互扩散行为对镍基合金基体和热障涂层显微结构及性能的影响,分析了添加扩散障和改性粘结层的阻扩散机制,介绍了2种阻扩散方法的研究进展,总结了其优势及存在的问题,指出了元素阻扩散方法的研究发展方向.     

高温热处理对带热障涂层DD6单晶高温合金互扩散行为及持久断裂特征的影响

采用电子束物理气相沉积方法在DD6单晶高温合金基体上制备了热障涂层,带涂层试样首先在1100℃空气气氛中分别进行了50h和100h热处理,然后在980℃/250MPa条件下进行持久实验,研究了持久断裂后合金与黏结层界面的互扩散行为、组织形貌以及断裂特征。结果表明:经过1100℃热处理,合金与黏结层之间的元素发生了互扩散,合金基体中Cr含量增加,而Re,Nb,Mo,Ta等元素向黏结层扩散;随热处理时间的增加,析出的不稳定相数量增多,持久断裂试样γ′相粗化程度增加;1100℃热处理带热障涂层持久断口为韧窝断口,与合金标准试样断口特征类似。     

镍基高温合金的扩散焊接研究进展

镍基高温合金被广泛用于现代航空工业、核工业等领域。本研究综述了镍基合金扩散焊的研究进展,介绍了扩散焊技术研究现状、界面孔洞闭合机理以及扩散焊接接头组织、性能。对当前镍基高温合金扩散焊的最新研究进行总结,为今后镍基高温合金扩散焊接技术的进一步发展提供了理论支撑。     

镍基单晶高温合金的拉伸断裂行为

对[001]、[011]和[111]取向的镍基单晶高温合金的不同取向的弹性模量及硬度做了表征,并分析了[011]和[111]取向的单晶在室温和1070℃的拉伸断口形貌。研究结果表明:合金的弹性模量及拉伸断裂存在各向异性。室温下,[011]取向试样拉伸断裂变形不均匀,断面为椭圆形;[111]取向的试样断裂面为圆形,没有发生颈缩。[011]、[111]取向断口均由裂纹源区、扩展区及瞬断区组成。室温下,合金的拉伸断口为剪切型韧性断裂;高温下,合金的拉伸断口为微孔聚集型韧性断裂。     

一种含Ru镍基单晶高温合金的高温氧化行为

采用恒温氧化的实验方法,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)等分析了一种新型含Ru的镍基单晶高温合金在1 100 ℃和1 140 ℃的高温氧化行为。研究结果表明,合金在氧化初期质量迅速增加,但随着氧化时间的延长,氧化膜质量增加速率变得缓慢,由于氧化过程中会发生氧化膜脱落,使得氧化增重曲线略微偏离抛物线规律。氧化膜大致分三层:外层由Cr₂O₃和NiO组成,中间层为Cr₂O₃,内层为Al₂O₃。     

涂层缺陷对涂层失效与基体腐蚀行为的影响研究

通过对涂层缺陷、涂层起泡、湿附着力等研究领域的回顾，讨论了涂层缺陷对腐蚀性介质离子在涂层中的传输行为、涂层失效、基体腐蚀行为等方面的影响。在此基础上，针对涂层缺陷研究现状中存在的一些未解决问题，提出了诸如计算机支持技术等可能的解决方法。     

镍基合金的热变形行为及智能热加工技术研究进展

镍基合金具有优异的高温强度,良好的抗疲劳、抗氧化和抗腐蚀性能,是目前航空航天领域内应用最为广泛的金属材料之一,已成为航空发动机热端部件不可替代的关键材料.镍基合金的高温变形抗力大、成形温度范围窄、微观组织演变复杂,给镍基合金零件的成形制造带来了巨大挑战.综述了近年来镍基合金的高温流变规律及建模、微观组织演变规律与建模、...     

涂层与基体金属附着力的研究进展

阐述了涂层与金属间的附着力理论的研究进展,明确了涂层附着力的内涵,附着力与有机涂层下金属腐蚀的关系以及涂层附着力研究应该注意的问题,特别是总结了近年来有关涂层／金属化学键作用的研究现状。     

Degradation of MCrAlY Coating and Substrate Superalloy During Long Term Thermal Exposure

Reliability and service life of hot gas path components of a gas turbine are limited by the degree of coating and substrate material degradation that occurs during service. MCrAlY type coatings and Ni-base alloys are widely used in the industry. In this study, the effect of long term thermal exposure with and without stress on a blade material, U520 and on a MCrAlY coating has been investigated. Microstructural degradation of coating and U 520 material are presented as a function of time, temperature and stress. These results are compared with the degradation observed in service-exposed blades.     

Ni基单晶高温合金取向测定方法的研究

论述了在普通的多晶衍射仪上,利用固定2θ角,进行Omega扫描的非对称X射线衍射方法来测定Ni基单晶高温合金[001]取向的原理,对三个具有不同取向角度的Ni基单晶高温合金进行了取向测定,讨论了该方法可测试的单晶体偏差角的范围和进一步扩大测试范围的可能解决方法,以及测试中应注意的问题.利用带有偏差角的非对称扫描方法得到了单晶的(002)晶面的衍射线,讨论了得到该衍射线的意义.     

一种镍基单晶高温合金的表面再结晶研究

采用X射线衍射、金相及扫描电镜,研究了一种镍基单晶高温合金再结晶的产生以及再结晶层的组织变化。结果表明在铸态γ'相溶解温度以下,再结晶是以不连续有胞状形式发生的;在此温度以上,再结晶主要形成结晶晶粒。进一步提高温度,再结晶晶粒聚集长大,再结晶层以连续的方式向内生长。铸态γ'相的溶解是形成再结晶晶粒的重要条件。     

铸钢表面镍基合金渗层的热疲劳行为

采用铸渗技术在铸钢ZGCr5Mo试样表面制备了镍基合金渗层,渗层的厚度为0.6—1.2 mm,考察了镍基合金渗层的热疲劳行为,用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对热疲劳循环后的渗层表面进行了形貌观察与成分分析。结果表明:在热循环次数低于20次时,表面仅发生了氧化现象,当热循环次数超过90次时,渗层表面出现微裂纹,随着循环次数的增加,在渗层与基体的侧表面上出现贯穿渗层与基体的微裂纹以及在渗层与基体的界面处的表面氧化膜层出现了平行于渗层表面以及发散的微裂纹;随着镍基合金渗层厚度的增加,出现微裂纹的热循环次数略有降低。表面的氧化膜层主要为镍、铬的氧化物以及镍铬的复杂氧化物。     

Degradation Characteristics of Intermetallic Coating on Nickel Base Superalloy Substrate in Gas Ttairbine Blade

In-service degradation of the mechanical properties (295-1223 K) and microstructure/chemistry in gas turbine blades made of CoNiCrAlY coatings and Rene 80 substrates has been studied by means of a small punch (SP) testing technique and scanning Auger microprobe (SAM). In SP tests, brittle coating cracks continuously and discretely propagated along the radial and tangential directions at 295 K and elevated temperatures, respectively. The ductility of the coating and substrate at 295 K was lowered during long time operation of the blades. The ductile-brittle transition temperature of used coatings was increased by 90 K, compared with that of unused ones while that of the substrate remained unchanged. From SAM analyses of the unused and used blades, it was found that oxidation and S segregation near the coating surface region profoundly occur in-service. The relationship between the mechanical property degradation and microstructural/chemical evolution near the coating surface is presented which serves as a data base for determining the remaining life of gas turbine blades.