论文部分内容阅读
铱（Ir）因为极低的氧渗透率而被应用于高温抗氧化涂层,然而纯Ir在应用时存在一些问题:高温氧化挥发、推进剂的冷端腐蚀、微孔的扩散、晶界偏聚和热辐射率低等,降低了Ir涂层的使用寿命。为此,本文采用粉末包埋法渗铝改性Ir涂层,通过研究渗铝工艺及热处理条件对涂层组织结构的影响,总结渗层组织的形成和演变规律,实现渗层的组织结构调控;通过研究不同结构涂层的高温氧化行为,揭示不同结构涂层的高温失效机理。研究了渗铝温度、渗铝时间和渗剂配比对渗层组织结构的影响。结果发现,提高渗铝温度或延长渗铝时间,渗层由IrAl单层结构转变为IrAl2.7（3）/IrAl双层结构;渗层厚度与温度呈线性关系,与时间呈抛物线关系,渗铝过程中铝（Al）的扩散符合菲克第二定律。在不同的渗剂中渗铝时,其扩散激活能不同,催渗剂与供铝剂的比值越低,扩散激活能越高。渗剂配比为Al:2%、NH4Cl:2%时,渗铝的扩散激活能为69.65KJ/mol。进行了渗层的力学性能测试和辐射率测量。结果表明,Ir层、IrAl层和IrAl2.7（3）层的显微硬度值分别为429、1417和1225;Ir层、IrAl层和IrAl2.7（3）层的弹性模量呈梯度变化,IrAl起到过渡层的作用,使得机械兼容性良好;IrAl2.7（3）层的脆性最大,其断裂韧性约为25.8MPa·m1/2。渗层与Ir基体的结合强度、以及渗层内部IrAl层与IrAl2.7（3）层的结合强度均高于36.4MPa。渗铝后试样表面2.5-25μm波段的发射率由纯Ir的0.114提高至0.411,氧化后辐射率进一步提高至0.728。对渗铝改性Ir片试样进行热处理,研究了热处理条件对渗层组织结构的影响。结果发现,真空环境热处理时,IrAl2.7（3）层中的Al一方面向外脱附挥发,致渗层失重;另一方面向内扩散形成IrAl,引起IrAl层厚度增加,二者所占比例分别为25.6%和74.4%。氩气保护热处理时,IrAl2.7（3）层中的Al几乎全部向内扩散形成IrAl,改性涂层由IrAl2.7（3）/IrAl双层结构转变为IrAl单层。IrAl单层渗层试样和IrAl2.7（3）/IrAl双层渗层试样分别在1400℃、1600℃、1800℃和2000℃下进行静态氧化考核。结果显示:单层渗层试IrAl直接氧化,表面形成的Al2O3不致密,双层渗层试外层的IrAl2.7（3）发生“熔化-氧化”,表面形成致密的Al2O3。纯Ir试样氧化时线性失重,1800℃氧化后失重为45.72mg/cm2,而单层渗层试样和双层渗层试样的的净失重分别为-0.13mg/cm2和1.88mg/cm2,渗铝后试样的抗氧化性显著提高。单层渗层试样与双层渗层试样相比净失重明显较小。虽然双层渗层试样氧化后形成的Al2O3更致密,但由于外层“熔化-氧化”导致涂层消耗快,且涂层不均匀,出现弱点,加速涂层的失效,因此在快速升温氧化时,IrAl2.7（3）/IrAl双层渗层试样相对IrAl单层渗层试样的抗氧化性较差。研究了IrAl2.7（3）/IrAl双层渗层试样在1400和1800℃考核时涂层结构随时间的变化规律,结果发现:IrAl2.7（3）/IrAl双层渗层试样在氧化考核时,IrAl2.7（3）外层中Al原子一方面向外扩散与氧反应形成Al2O3层和Ir*层（反应新生成的Ir,与基体Ir相区别）,另一方面向内扩散,与基体Ir形成IrAl层,使得IrAl层增厚。随着考核时间的延长,IrAl2.7（3）层由于消耗而越来越薄,且温度越高,IrAl2.7（3）消耗越快。待IrAl2.7（3）全部耗尽后,IrAl层中的Al继续向外扩散形成Al2O3层和Ir*层,IrAl由于消耗会越来越薄直至耗尽,但IrAl层消耗速度明显小于IrAl2.7（3）层,视考核温度和时间的不同,最终形成Al2O3/Ir*或Al2O3/（Ir*+Al2O3）的双层涂层。在模拟服役环境氧化考核结果显示:在热流密度为2.03MW/m2,驻点压力为1.8kPa,焓值为19MJ/kg的高频等离子风洞实验参数条件下考核时,纯Ir/石墨端头的驻点温度稳定在2494℃,驻点附近的Ir涂层发生熔化;而渗铝改性Ir/石墨端头由于渗铝改性Ir涂层的热辐射率高和考核时形成的惰性Al2O3层对等离子体的复合催化效应弱,使得驻点温度稳定在1330℃,远低于同样考核条件时的纯Ir/石墨端头驻点稳定温度。