铝稀土涂层在不同介质中的超高温热腐蚀行为及其改性探索

摘要

随着先进燃气涡轮发动机“高推重力”和“大推重比”发展趋势的日益明显，航空发动机热端部件的服役温度持续升高，这势必对航空发动机热端部件表面担负抗氧化腐蚀功能的热障涂层金属粘结层的服役性能提出了更高的要求。铝稀土涂层，是一能够生成在极高温度下仍具有良好稳定性保护性氧化铝膜的热障涂层金属粘结层。然而，关于其热腐蚀行为及其机理的研究相对较为薄弱。本文在对铝稀土涂层制备工艺及其组织特性研究的基础上，较为系统地研究了其在1050℃下三种不同腐蚀介质（75%Na2SO4+25%K2SO4、75%Na2SO4+25%Na Cl、40%Na2SO4+60%V2O5）中的超高温热腐蚀行为及其机理，从而为研制新型抗超高温氧化腐蚀金属粘结层提供理论基础；同时，尝试了采用激光熔注技术将纳米SiC颗粒引入到铝稀土涂层中对其进行改性，进而为研制新型抗超高温氧化腐蚀金属粘结层提供技术支持。
　　本文的主要研究内容及结果如下：
　　（1）开展了镍基高温合金基体表面铝稀土涂层制备及其组织特性的研究。研究中，以纳米CeO2作为渗剂中的稀土组分，采用固体粉末包埋法在镍基高温合金GH4033表面制备铝稀土涂层，通过正交实验优化得出最佳的渗剂配方以及渗铝工艺参数，并对所制备的铝稀土涂层组织进行分析。研究表明：在本文实验条件下，铝稀土共渗较优的渗剂为3wt.%NH4Cl、9wt.%CeO2、45wt.%Al和余量的氧化铝，铝稀土共渗较优的工艺参数为在850℃下保温10 h后继续在1000℃下保温2 h；采用前述渗剂及渗制工艺所制备的铝稀土涂层均匀、致密且厚度达到约250μm，其主要由Ni-Al相和Ni2Al3相组成。
　　（2）研究了铝稀土涂层在1050℃下75%Na2SO4+25%K2SO4中热腐蚀行为。研究表明：铝稀土涂层在1050℃下混合硫酸盐中遭遇了严重的热腐蚀，主要表现为其进入稳态氧化所需时间极长（约30小时）而维持稳态氧化的时间又较短（>30至60小时）。分析认为，由于熔盐在1050℃下具有更强的熔解作用，可以迅速熔解铝稀土涂层表面形成的保护性氧化铝膜，进而加快了涂层的失效速度；随着涂层内保护性铝元素的不断消耗，当涂层内铝元素含量低于保护性氧化铝膜形成所需抗氧化元素阈值时，铝稀土涂层防护作用减弱，涂层逐渐失效。
　　（3）研究了铝稀土涂层在1050℃下75%Na2SO4+25%Na Cl中热腐蚀行为。研究表明：铝稀土涂层在1050℃含氯硫酸盐中热腐蚀初期难以形成保护性氧化铝膜，涂层仅在大于10小时至30小时期间处于稳态氧化阶段，而随后的50小时内其始终处于快速增重状态。当热腐蚀进行到50小时，涂层已几乎不存在连续氧化膜且发生了较为严重的内氧化腐蚀，此时涂层已趋于完全失效。含氯硫酸盐中的Na Cl，不仅造成铝稀土涂层在热腐蚀初期难以形成保护性氧化铝膜，而且还会诱发铝稀土涂层在进入稳态氧化期不久后保护性氧化铝膜的整体剥落，超高温的实验温度进一步加剧了含氯硫酸盐中的氯对铝稀土涂层表面氧化膜的破坏作用。
　　（4）研究了铝稀土涂层在1050℃下40%Na2SO4+60%V2O5中热腐蚀行为。研究表明：铝稀土涂层在1050℃含钒硫酸盐中热腐蚀100小时过程中，仅在10小时表面含有一层较薄的保护性氧化铝膜，而随后第20小时保护性氧化铝膜被熔解消失。当热腐蚀进行到50小时，大部分涂层发生了较为严重的内氧化内硫化腐蚀，涂层趋于失效。含钒硫酸盐中的V2O5，不但作为反应物参与涂层的破坏过程，还充当催化剂加速硫酸盐等腐蚀介质对涂层的腐蚀，同时超高温的实验环境加剧了其对铝稀土涂层的破坏作用。
　　（5）探索了激光熔注纳米SiC颗粒改性铝稀土涂层的工艺及其改性后的组织特性。研究表明：以醇水混合溶液作为分散介质、以0.25%聚乙二醇加0.25%四甲基氢氧化铵作为分散剂、以聚乙烯醇作为粘结剂制备出的纳米碳化硅浆料具有更好的分散稳定性，更适于激光熔注预置纳米碳化硅使用；以激光功率180W、扫描速度35mm/s、离焦量20mm工艺参数，可制备出质量较优的激光熔注纳米SiC颗粒改性铝稀土涂层。经过激光熔注改性后，涂层组织明显细化，上部组织呈现雪花状并且夹杂不规则形状晶体，中部为均匀一致的雪花状晶体，下部组织逐渐由雪花状到树枝状再到圆块状。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究目的、内容及方案

1.4本章小结

第二章 镍基高温合金铝稀土涂层制备及其组织特性研究

2.1引言

2.2铝稀土涂层的制备

2.3铝稀土涂层的微观组织

2.4本章小结

第三章 铝稀土涂层在硫酸钠和硫酸钾混合盐中热腐蚀行为

3.1引言

3.2熔盐作用下保护性氧化膜的生长规律及其演变行为

3.3铝稀土涂层在1050℃热腐蚀下的退化行为

3.4热腐蚀机理探讨

3.5本章小结

第四章 铝稀土涂层在硫酸钠和氯化钠混合盐中热腐蚀行为

4.1引言

4.2熔盐作用下保护性氧化膜的生长规律及其演变行为

4.3铝稀土涂层在1050℃热腐蚀下的退化行为

4.4热腐蚀机理探讨

4.5本章小结

第五章 铝稀土涂层在硫酸钠和氧化钒混合盐中热腐蚀行为

5.1 引言

5.2熔盐作用下保护性氧化膜的生长规律及其演变行为

5.3铝稀土涂层在1050℃热腐蚀下的退化行为

5.4热腐蚀机理探讨

5.5本章小结

第六章 激光熔注纳米碳化硅改性铝稀土涂层工艺及组织特性探索

6.1引言

6.2激光熔注用纳米碳化硅浆料制备工艺

6.3激光熔注工艺参数优化

6.4激光熔注改性组织特性

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2全文研究的创新点

7.3后期研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果(论文、专利、参研项目)