镍基单晶合金表面NiCrAlYSi涂层真空电弧镀工艺及高温性能研究

摘要

为提高发动机涡轮叶片使用寿命和可靠性，需要对涡轮叶片采用先进的防护涂层工艺，使其作为合金基体与高温环境之间的物理屏障，阻隔温度和环境介质对合金基体的危害作用。因此，本文采用真空电弧镀方法在镍基单晶合金和模拟涡轮叶片表面制备NiCrAlYSi涂层，并对涂层沉积工艺与高温性能进行了较为系统的研究。
　　本文采用真空电弧镀技术在镍基单晶合金表面制备了NiCrAlYSi防护涂层。研究了涂镀电流对涂层组织与厚度的影响。发现当电弧电流为620±10A时，会造成电弧不稳和熄弧现象，使涂层组织结构不均匀，内部存在孔隙、空洞等缺陷。当电弧电流为720±10A时，靶材会被轻微损坏。只有当电弧电流处于670±10A时，涂层的涂镀过程处于相对稳定的工作状态，涂层组织均匀致密。涂镀时间不超过150min时，NiCrAlYSi涂层厚度与涂镀时间呈正比关系，且涂层厚度均匀，不同位置厚度差距不超过3μm。
　　真空电弧镀涂镀90min，在镍基单晶合金表面可制备厚度约25μm的涂层，经过870±10℃真空热扩散32h，扩散层厚度约5μm。此时，涂层与镍基单晶合金结合良好。经760℃高温拉伸试验结果表明，含NiCrAlYSi涂层的镍基单晶合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率分别为1115MPa、922MPa、14.5％和21.5%。含NiCrAlYSi涂层的镍基单晶合金在980℃下的高温抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率分别为885.0MPa、822.5MPa、31.5%和37.3%。NiCrAlYSi涂层改善了镍基单晶合金在980℃和1100℃下的高温持久性能，980℃持久寿命由239h增加到276h，而1100℃持久寿命由167h增加到273h，改善幅度分别达到15.9%和63.5%。但NiCrAlYSi涂层使镍基单晶合金在700℃下的疲劳极限由470MPa下降到436MPa，下降了7.4%。
　　对真空电弧镀NiCrAlYSi涂层的抗高温氧化性能和耐热腐蚀性能进行了研究。结果表明，与镍基单晶合金基体相比，NiCrAlYSi涂层显著提高了在1100℃下的抗恒温氧化性能和在1000℃下的抗循环氧化性能。在1100℃静态空气中恒温氧化100h后，涂层样品的平均氧化速度约为0.087g/m2h(小于0.1g/m2h)，达到完全抗氧化级。不带涂层的镍基单晶合金经1100℃恒温氧化100h或1000℃循环氧化250次后，表面氧化皮开裂剥落较严重，氧化膜主要由NiO、NiAl2O4和NiTa2O6等组成。部分区域形成了瘤状氧化物，并发生了内氧化。带NiCrAlYSi涂层的镍基单晶合金经1100℃恒温氧化100h或1000℃循环氧化250次后，涂层表面生成致密的α-Al2O3氧化膜。
　　与镍基单晶合金基体相比，NiCrAlYSi涂层提高了在900℃涂75wt.%Na2SO4+25wt.%NaCl盐环境下的耐热腐蚀性能。带NiCrAlYSi涂层合金表面生成了连续的Al2O3膜，但部分区域生成了YAlO3，涂层退化严重，Al含量降到很低，涂层中发生内氧化和内硫化现象，内氧化物主要为Al2O3。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2单晶高温合金的发展

1.3高温防护涂层的发展

1.4 MCrAlY涂层成分及性能

1.5 真空电弧离子镀技术

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 涂层制备工艺

2.3 涂层组织结构分析

2.4 涂层性能测试

第3章 NiCrAlYSi涂层真空电弧离子镀与热扩散处理工艺研究

3.1 NiCrAlYSi涂层真空电弧离子镀工艺参数优选

3.2 涂层增厚动力学曲线

3.3 NiCrAlYSi涂层真空热扩散工艺参数优选

3.4 NiCrAlYSi涂层与镍基单晶合金的结合情况测试

3.5 NiCrAlYSi涂层对基体合金力学性能的影响

3.6 涡轮叶片表面制备NiCrAlYSi涂层工艺

3.7 本章小结

第4章 NiCrAlYSi涂层的抗高温氧化性能和耐热腐蚀性能研究

4.1抗恒温氧化性能

4.2抗循环氧化性能

4.3 耐热腐蚀性能研究

4.4 NiCrAlYSi涂层高温防护作用的验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录

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