材料在涡轮发动机的恶劣环境下服役,不仅要保持良好的高温力学性能,同时还要抵抗高温氧化、中高温腐蚀等破坏。为提高单晶高温合金高温蠕变等高温性能,Re、Ru等高熔点元素的含量随单晶高温合金的代次而增加,而Al、Cr等元素含量减少,合金的抗氧化与抗腐蚀能力下降,单纯依赖高温合金本身很难兼顾合金的力学性能与抗氧化、抗腐蚀能力。为了最大程度地提高涡轮机寿命和发挥材料的性能,必须使用保护涂层。
MCrAlY(M为Ni,Co或二者)包覆涂层由于具有突出的抗氧化、热腐蚀性能及良好的塑性等综合性能,广泛用于高温合金的防护。此外,它还常用于热障涂层体系(TBCs)中的粘结层,不仅起抗氧化与热腐蚀防护,而且在陶瓷隔热层与基体之间起粘结过渡作用。研究表明,MCrAlY涂层在高温服役过程中与基体之间存在浓度差异发生互扩散,在基体界面形成互扩散区(IDZ),且在IDZ下面形成二次反应区(SRZ)。SRZ中析出拓扑密堆相(TCP),TCP相一般有σ、μ和P相3种形式,TCP相对基体的性能产生不利影响,尤其是高温疲劳及蠕变性[6]。具有抗氧化与抗腐蚀能力的涂层应该具备的主要特征为抗氧化/抗腐蚀性能好;界面稳定性好;好的粘结力;力学性能满足使用需求。MCrAlY涂层由于具有较好的综合性能,抗氧化与热腐蚀性能,以及良好的塑性、热物性参数与高温合金基体匹配。
DD6是中国研制的第二代镍综合性能好、组织稳定且铸造工艺性能好等优势,在航空发动机叶片上显示了巨大的应用前景。试验中采用DD6作为基体材料,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备NiCoCrAlY涂层和低压等离子喷涂(LPPS)(TGO)技术制备NiCoCrAlYHfSi涂层;研究涂层与基体的循环氧化与互扩散行为,以及热长氧化物TGO的生长进率,对工程应用中预测涂层的寿命具有较大的意义。
结论
(1)NiCoCrAlY涂层和NiCoCrAlYHfSi涂层大大地提高了DD6高温合金基体的抗氧化能力,经1100℃循环氧化100h后,对应的β-NiAl相体积分数分别为14.55%、32.31%;前者的TGO厚度为3.31μm,后者的TGO厚度为2.28μm。两种涂层的外表面仍为致密连续的α-Al2O3。
(2)在1100℃热循环氧化过程中,NiCoCrAlY涂层、NiCoCrAlYHfSi涂层与DD6之间形成的IDZ和SRZ厚度均随氧化时间的延长而增大,100h后IDZ+SRZ的厚度可达40μm以上。SRZ中析出少量棒状和大量粒状TCP相,相中W、Re和Mo的质量分数分别高达37.51%,14.22%和10.61%,而Al的含量很少,造成基体中高熔点元素贫化。
(3)涂层成分对试样中物相有一定的影响,活性元素Hf、Si元素对IDZ与涂层界面附近富Cr相的形成和TGO的生长速率具有抑制作用。采用TGO增厚速率模型可以简单预测NiCoCrAlY涂层、NiCoCrAlYHfSi涂层寿命分别高达356.43h和937.5h。
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