论文部分内容阅读
铂铝涂层具有优异的抗高温氧化与抗热腐蚀性能,是目前应用最为广泛的改性铝化物涂层,主要用于航空发动机与燃气轮机的热端部件。电镀Pt后,一般采用包埋或化学气相渗铝等化学沉积方法制备商用铂铝涂层。由于Al和改性元素的卤化物的分压相差较大,难以使用化学沉积方法实现多种元素的共沉积与控制涂层中改性元素的添加量,因此需研发新的铂铝涂层制备工艺以获得复合改性的铂铝涂层。电弧离子镀(AIP)可通过调节靶材成分实现涂层中微量元素的复合添加,因此本文采用电镀与电弧离子镀工艺结合制备新型铂铝涂层。 采用“电镀Pt+退火处理+above-pack渗铝”结合的工艺Ⅰ制备Pt改性铝化物涂层,其次采用“电镀Pt+退火处理+AIP+退火处理”结合的复合制备工艺Ⅱ获得了Pt改性Al扩散涂层、Pt改性AlY扩散涂层与Pt改性AlSiY扩散涂层,同时使用“AIP+退火处理”结合的制备了Al扩散涂层、AlY扩散涂层与AlSiY扩散涂层作为参照涂层。采用SEM、EDS、XRD等手段分析涂层的组织结构及其在高温氧化和热腐蚀环境中的组织演变过程。主要研究结果如下: 工艺Ⅰ制备的Pt改性铝化物涂层为外扩散型涂层,其外层由单相β-(Ni,Pt)Al组成,外层的平均晶粒尺为15.6μm。工艺Ⅱ制备的Pt改性Al扩散涂层为内扩散型涂层。其外层由β-(Ni,Pt)Al与弥散分布在晶界处的Co7W6相组成,外层的平均晶粒尺寸约1.9μm。1100℃循环氧化时,Al扩散涂层的氧化膜严重剥落,增加了涂层的氧化总增重;循环氧化170次后,涂层中β相完全退化为γ相。Pt提高了氧化膜的抗剥落能力,降低了Al元素的消耗,使涂层/氧化膜界面处维持较高的Al浓度,保证了致密α-Al2O3膜的形成,从而提高了涂层的抗氧化性能。工艺Ⅱ制备的Pt改性Al扩散涂层外层中弥散分布的富W难熔金属析出相,在氧化或热腐蚀时可形成挥发性的难熔金属氧化物(如WO3),增加了氧化膜内缺陷,诱发氧化膜较早的剥落,从而使工艺Ⅱ制备的Pt改性Al扩散涂层氧化膜的抗剥落性能差于工艺Ⅰ制备的Pt改性铝化物涂层。在900℃ Na2SO4+NaCl混合盐中热腐蚀100h后,Al扩散涂层发生了严重的热腐蚀,涂层内含有大量的内硫化物与内氧化物。Pt促进了Al在β相中的扩散系数,使涂层/氧化膜界面处维持较高的Al浓度,促使氧化膜剥落区内Al2O3膜的快速形成,因此,热腐蚀100h后,两种Pt改性β-NiAl涂层表面的腐蚀产物仍为致密的Al2O3,阻碍了腐蚀介质的内扩散,从而减缓了涂层的退化进程。 采用工艺Ⅱ制备了Pt改性AlY扩散涂层,Y主要富集在涂层外层,含量为0.7 wt%。Pt改性AlY扩散涂层外层主要由β-(Ni,Pt)Al组成。循环氧化时,AlY扩散涂层与Pt改性AlY扩散涂层的净增重随时间增加呈单调递增趋势。氧化时,在AlY扩散涂层与Pt改性AlY扩散涂层的氧化膜内形成了弥散分布的纳米级富Y析出相,该相抑制了Al3+沿氧化膜晶界向外扩散,改变了氧化膜的生长机制并降低了涂层的氧化总增重。此外,Y的添加显著提高了氧化膜的抗剥落性能,减缓了涂层的退化进程。因此,AlY扩散涂层与Pt改性AlY扩散涂层都具有良好的抗氧化性能。在900℃ Na2SO4+NaCl混合盐中热腐蚀时,Pt改性AlY扩散涂层表面的氧化膜未见明显剥落,有效降低了涂层内O与S的分压,降低了涂层中内硫化物与内氧化物的数量。 采用工艺Ⅱ制备出Pt改性AlSiY扩散涂层,其外层平均晶粒尺寸约500nm。退火后,Si主要富集在涂层外层,含量约1.5 at.%。外层由β-(Ni,Pt)Al相与弥散分布在晶界处的CoWSi相组成;互扩散区由β-NiAl相与碳化物(TaC)和富W的μ相等析出相组成。在1100℃循环氧化时,与AlSiY扩散涂层相比,Pt改性AlSiY扩散涂层具有较小的氧化总增重和较低的氧化膜剥落速率,降低了涂层内Al元素的消耗,抑制了涂层内β向γ的转变,有效降低了循环氧化后涂层/氧化膜界面的粗糙度。在Na2SO4+K2SO4混合盐热腐蚀初期,AlSiY扩散涂层的氧化膜完全为θ-Al2O3,Pt改性AlSiY扩散涂层的氧化膜内还含少量的稳态α-Al2O3。α-Al2O3降低了热腐蚀初期Pt改性AlSiY扩散涂层的腐蚀速率,提高了涂层的抗热腐蚀性能。在Na2SO4+NaCl混合盐中热腐蚀100h后,在Pt改性AlSiY扩散涂层的基体/涂层界面处形成了连续的富Cr阻挡层,阻碍了涂层与基体间各元素的互扩散,降低了涂层二次反应区的厚度。