热喷涂涂层脉冲等离子爆炸表面改性研究

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CoNiCrAlY涂层作为热障涂层粘结层,可有效阻止或减轻燃气涡轮发动机热端部件受到热氧化或热腐蚀的损坏。但是大气等离子喷涂(APS)技术制备出来的涂层不可避免地会产生高孔隙率、氧化物夹杂及形状不规则等缺陷,进而影响整个涂层的服役寿命。采用脉冲等离子爆炸技术(PPD)对大气等离子喷涂的CoNiCrAlY涂层进行表面改性处理,从而提高其高温下抗氧化和熔盐环境中的抗热腐蚀性能,为CoNiCrAlY涂层在航空发动机领域的应用奠定良好理论基础。本文采用大气等离子喷涂在镍基高温合金Inconel 625上制备CoNiCrAlY涂层,并对其进行预氧化和脉冲等离子爆炸处理,研究脉冲等离子爆炸对涂层结构和高温氧化和热腐蚀性能的影响,具体内容如下:APS制备的CoNiCrAlY涂层为典型的片层堆叠结构,涂层表面粗糙,含有未熔和半熔融状态的粉末颗粒,涂层表面存在孔隙、空洞等缺陷,同时在涂层的内部也存在氧化夹杂物。PPD处理后的CoNiCrAlY涂层表面受热重熔,消除了孔隙和空洞等喷涂缺陷,还在涂层的表面沉积了Ta。重熔的区域内的氧化夹杂物消失,Al元素发生选择性氧化,在涂层表面生成了Al2O3。对PPD处理前后的CoNiCrAlY涂层进行1050℃高温氧化实验,结果表明两种涂层高温氧化过程中的TGO都呈混合氧化物与保护性的α-Al2O3组成的双层结构,其中顶部混合氧化物以尖晶石氧化物(Ni,Co)Cr2O4和Cr2O3为主要组成成分。两种涂层的氧化增重都遵循Wagner抛物线规律,喷涂态CoNiCrAlY涂层的增重都要快于PPD处理后的涂层。经100 h高温氧化的喷涂态CoNiCrAlY涂层表面产生的TGO在生长应力的作用下开裂、剥落,而PPD处理后的涂层在100 h的高温氧化实验后表面TGO仍然完整致密。除了对涂层的表面形貌产生改变,沉积在涂层表面的Ta元素也产生合金元素效应,综合影响使得CoNiCrAlY涂层的抗高温氧化性能得到提升。喷涂态CoNiCrAlY涂层的腐蚀产物主要为Ni O和尖晶石(Ni,Co)Cr2O4,PPD处理后的涂层表面腐蚀产物中还含有富Y相Al2Y4O9,Y元素可以起到“钉扎”表面氧化物的作用,提升氧化物在涂层表面的粘结性能。Ta元素均匀分布在PPD处理后涂层的腐蚀产物中,随着腐蚀过程的进行向涂层内部扩散。喷涂态CoNiCrAlY涂层内氧化和内硫化的程度较PPD处理后的涂层更为严重。100 h的热腐蚀过程分为初始的快速腐蚀阶段、稳定腐蚀阶段和加速腐蚀阶段。在初始的快速腐蚀阶段中,PPD处理的涂层腐蚀产物生长速度更快,然而在接下来两个腐蚀阶段中的腐蚀速率低于喷涂态涂层,在最终100 h的腐蚀实验中,PPD处理的涂层腐蚀产物层比喷涂态涂层更薄。
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