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镍基高温合金的表面防护涂层

作者: admin 时间:2018-08-31 来源:未知
摘要:镍基高温合金 因其具有较好的综合性能已被广泛用于制造航空发动机和各类燃气轮机的热端部件。随着航空航天工业的发展,越来越高的涡轮进口温度要求其叶片材料必须具有更高的抗...

  镍基高温合金因其具有较好的综合性能已被广泛用于制造航空发动机和各类燃气轮机的热端部件。随着航空航天工业的发展,越来越高的涡轮进口温度要求其叶片材料必须具有更高的抗高温氧化腐蚀的能力。除了进一步提高镍基合金的高温性能,一个更为经济可行的方法是在镍基合金表面涂覆防护涂层。镍基合金的防护涂层主要有金属间化合物涂层、金属涂层、热障涂层和表面改性涂层。传统的金属间化合物涂层和金属涂层难以满足高压涡轮叶片长时间抗高温氧化的工作要求,使用温度一般不能超过1100℃。用氧化钇部分稳定的氧化锆陶瓷涂层可降低涡轮叶片表面温度200℃左右。然而,通过氧化锆涂层进行离子扩散和通过涂层孔洞或裂纹扩散是传统热障涂层运输氧的两种主要途径,由此会导致过渡层和氧化锆界面的热生长氧化膜生长过快,使得氧化锆涂层脱落而过早失效。因此,寻找具有更好抗高温性能的涂层材料,以突破ZrO2的寿命极限显得非常重要。金属间化合物二硅化钼(MoSi2)具有优异的高温抗氧化性能,在1000℃以上具有延展性,为缓解涂层热应力提供了帮助,是一种发展潜力极大的高温抗氧化涂层。所以,把MoSi2作为氧化锆热障涂层的最外层,有望缓解过渡层与陶瓷层界面处的氧化,提高传统氧化锆热障涂层的高温抗氧化性能。

  我国湖南科技大学采用K403 镍基合金为基体材料,采用等离子喷涂设备制备涂层,形成K403/NiCoCrAlY/ZrO2/30%ZrO2-MoSi2/MoSi2的结构,获得了很好的结果。由于从金属粘结层到最外层MoSi2,采用纳米ZrO2和30%ZrO2-MoSi2作为过渡层材料,使涂层的热膨胀系数逐渐变化,消除了涂层中的成分突变和涂层中的宏观层间界面以及由此造成的物理性质突变,缓解了涂层中的热应力和界面处的应力集中,改善了涂层界面的结合状况,提高了涂层的结合强度。该涂层的界面结合强度为22.5 MPa,MoSi2涂层的自身结合强度大于涂层界面结合强度,结合机理以机械咬合式为主。实验证明,由于涂层内部各个界面结合强度较高、界面之间的机械咬合力较大,故能够承受较强的交替变换的冷热载荷能力,复合涂层的抗热震性能良好,在1000℃保温 5min、空淬条件下的抗热震性能达34次。另外,MoSi2复合涂层氧化120 h后MoSi2涂层表面生成了一层致密的 SiO2氧化层,SiO2层下面主要是MoSi2和 Mo5Si3等物质。由于高温下SiO2处于流动性较好的状态,质点的迁移能力增强,表面氧化层内部没有裂纹等缺陷,易形成连续而致密的保护膜,能够阻止空气中的氧原子对基体材料的侵入。同时,玻璃态的SiO2能够弥补和填充涂层中的裂纹,具有自愈合功能。这些特点保证了MoSi2涂层具有出色的高温抗氧化性。试验证明,该复合涂层在1200℃氧化120h后的质量增加仅为3.42 mg/cm2,主要归因于MoSi2复合涂层表面在高温时所生成的一层致密SiO2保护膜,阻碍了氧的扩散,减轻了过渡层 NiCoCrAlY/ZrO2界面处的氧化。

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