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阻止了氧进入涂层的通道

  等离子喷涂MCrAlY涂层作为一种典型的热障涂层(TBC),已经成功应用于汽轮机叶片、飞机发动机等重要工业设备部件的表面。作为热障涂层,其必须具有较低的热导率、抗热震性能及高温耐氧化性能。随着工业技术的不断发展,传统MCrAlY涂层作为传统的TBC涂层,已经不能满足一些特殊工况下的使用要求,其强度较低、热稳定性低的缺点逐渐显现出来。

  氧化物陶瓷具有许多优良的化学和物理性能,如硬度高、耐磨性好、高温稳定性和化学稳定性好、热导率低等,已被广泛应用于各类耐磨材料中。将氧化物陶瓷添加到MCrAlY涂层中,可使涂层具有优异的力学性能与抗高温氧化能力。

  今天,我们将来看看两种不同的氧化物陶瓷Al2O3和Cr2O3的添加会对MCrAlY涂层的抗高温氧化性能有何影响,及其高温氧化理。

  使用机械混合方法,将氧化物陶瓷粉末与MCrAlY粉末进行混合,两种混合粉末中的氧化物陶瓷质量分数均为30%。采用美国普莱克斯公司3710等离子喷涂控制系统及SG-100型等离子喷枪进行大气等离子喷涂试验。选用0Cr25Ni20不锈钢作为大气等离子喷涂的基体材料,喷涂前对基体表面进行喷砂粗化处理。喷涂工艺参数为:喷涂电压40V,喷涂电流500A,送粉速率45g·min-1,喷涂距离80mm。两种涂层粉末成分如表1所示。

  参照的是航空标准HB 5258-2000«钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法»和国标GB/T 13303-1991«钢的抗氧化性能测定方法»,采用的是试样不连续称重法,也称为涂层循环氧化法。

  如图2所示,涂层中存在Cr2O3,Ni3Al,Al2O3三种物相。在2θ≈45°附近,涂层的衍射峰有着明显的宽化现象,表明涂层中存在着部分非晶或纳米晶,这说明熔融颗粒在形成涂层的过程中,其冷却速率达到了非晶形成冷却速率,从而形成了非晶态组织。

  由图3可见:涂层厚度约为200μm,呈平行于涂层与基体结合面的层状分布,涂层中存在着一些半熔化颗粒、微裂纹和灰黑色氧化物。

  由表2可见:C1涂层与C2涂层的孔隙率、显微硬度都相接近,其中C1涂层的孔隙率略低于C2涂层的,C1涂层的显微硬度则略高于C2涂层的,从而证明等离子喷涂涂层孔隙率越低、显微硬度越高的规律。

  涂层的氧化动力学曲线℃时涂层的氧化动力学曲线h内,各组涂层的氧化动力学曲线均呈快速上升趋势,说明在此时间段内,涂层的表面未形成完整连续的抗氧化膜,其在高温环境中发生了剧烈的氧化反应,产生了较多的氧化产物,因此其质量增加较快。在20~40h这个时间段内,两种涂层的氧化动力学曲线上升趋势均有所减缓,这可能是由于在涂层的表面已经逐渐形成了连续稳定的抗氧化膜,阻止了氧进入涂层的通道,减缓了涂层表面氧化反应的速率。在40h后,涂层的氧化动力学曲线涂层的氧化质量增加十分接近,达到6mg·cm-2。

  图5 700℃时涂层氧化动力学拟合曲线中,采用Matlab软件依据最小二乘法对涂层的质量变化进行拟合,并求出曲线℃时,两种涂层拟合的氧化动力学曲线方程的二次项和一次项系数分别为-2.649×10-4和0.055。

  从表4可以看出,在氧化过程中生成的各种氧化物中,由铝元素氧化生成Al2O3的吉布斯自由能最低,且所需的最低氧分压也最小。这表明,在同一氧化气氛下的各种元素竞争氧化过程中,铝元素具有优先氧化的趋势,涂层表面的Al2O3膜极易形成。

  从图6可知:C1涂层表面出现了较多的白亮絮状物,经能谱分析,其中铬和氧的含量较高,初步判断为Cr2O3;氧化后的C2涂层表面较C1涂层的更为平整,其表面出现了一些球状氧化物,还出现了条状裂纹,说明此时的C2涂层已经出现了结构性的破坏。对C2涂层表面生成的球状氧化物进行能谱分析,发现其含有氧、铝、铬、钴等多种元素,初步判断其为多合金成分的氧化物。

  (1)大气等离子喷涂MCrAlY-CrO和MCrAlY-AlO涂层中存在Cr2O3,Ni3Al,Al2O3三种物相,且存在部分非晶相,这是由于熔融颗粒在形成涂层的过程中,其冷却速率达到了非晶形成冷却速率,从而形成了非晶态组织。

  (2)涂层结构呈平行于涂层与基体结合面的层状结构,涂层中存在着一些半熔化颗粒、微裂纹和灰黑色氧化物,且这些微裂纹都平行于涂层与基体结合面方向。

  (3)MCrAlY-CrO和MCrAlY-AlO涂层在高温氧化初期阶段,其氧化速率较快,后期氧化速率逐渐趋缓。在高温状态下涂层表面分别生成了铬和铝的氧化产物,对涂层起到了保护作用。

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