强流脉冲电子束作用下MCrAlY粘结层热腐蚀性能研究

摘要

随着燃气轮机在航空航天和航海船舶等工业领域的快速发展，对其热端部件的高温氧化和热腐蚀的预防和控制则尤为重要。热障涂层(TBCs)涂覆在基体材料表面可以阻止或减少热端部件因热氧化所造成的破坏，然而对于因燃料中含Na和 S等杂质或服役环境所造成的热腐蚀问题也不容忽视。本文采用“HOPE-1”型强流脉冲电子束(HCPEB)作为课题的实验装置对大气等离子喷涂(APS)技术制备的CoCrAlY粘结层表面进行改性处理。采用涂盐法测试粘结层表面改性前后在硫酸盐和含 Cl硫酸盐两种不同熔盐环境中的热腐蚀行为，采用现代测试分析方法系统表征热腐蚀产物的组成、相结构、成分、微观形貌等变化，分析HCPEB对涂层耐热腐蚀性能的影响规律。为热障涂层技术工艺优化和工程应用提供部分理论和实验依据。
　　本研究主要内容包括：⑴APS技术制备的CoCrAlY涂层具有典型的片层堆积结构，涂层表面粗糙不平，存在大量的孔洞、半熔或未熔颗粒及氧化物夹杂等热喷涂缺陷。HCPEB-CoCrAlY粘结层表面改性结果表明：HCPEB辐照后原始涂层表面热喷涂结构缺陷得到改善，涂层表面发生重熔并形成相互连结的鼓包状凸起结构；这些鼓包凸起结构表面十分致密，且随着辐照次数的增加，重熔层厚度和鼓包状结构的尺寸逐渐增加；30次辐照处理后涂层表面形成大量的Y富集Al2O3颗粒和超细晶结构。⑵1050℃条件下Na2SO4/K2SO4(75:25, wt.%/wt.%)混合盐膜的热腐蚀实验研究结果表明：原始APS-MCrAlY涂层抗热腐蚀性能较差，热腐蚀初期30 min后涂层表面并未形成连续致密的保护性TGO；热腐蚀末期50 h后涂层表面形成疏松多孔的双层TGO结构，且腐蚀产物发生散裂，内部产生严重的内氧化和硫化。相比之下，30次辐照处理促进了热腐蚀初期重熔层表面快速形成保护性氧化膜Al2O3；热腐蚀末期，TGO形成了由Al2O3和CoCr2O4双膜共存的双重屏障，且热腐蚀50 h后涂层并未观察到明显的腐蚀层破坏，说明其抗腐蚀性能得到有效改善。⑶1050℃条件下Na2SO4/NaCl(75:25, wt.%/wt.%)混合盐膜热腐蚀实验研究结果表明：原始APS-MCrAlY涂层热腐蚀30 min后表面并未形成保护性TGO层，且Cl-有加速腐蚀的作用；热腐蚀20 h后腐蚀物质便侵入原始涂层内部，产生严重的内硫化和内氧化，此时腐蚀层深度可到20μm。相比之下，HCPEB-MCrAlY涂层热腐蚀初期便在涂层表层形成一层连续致密的 Al2O3保护膜，热腐蚀后期形成了TGO外表层以 CoAl2O4主，次表层以Al2O3为主的双层氧化物结构，腐蚀层深度只有几个微米。HCPEB处理诱发的辐照效应能够促进连续致密的保护性氧化膜在热腐蚀初期快速形成，随着热腐蚀的继续其能够有效地阻止熔盐的侵入，进而有效提高涂层的抗热腐蚀性能。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 高温防护涂层技术

1.3 热腐蚀概述

1.4 HCPEB改性技术

1.5 研究内容

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 HCPEB实验装置与辐照样品制备

2.3 热腐蚀性能测试

2.4 微观结构及性能表征方法

第三章 HCPEB处理前后CoCrAlY粘结层的微观组织结构

3.1 引言

3.2 HCPEB处理前后涂层表面相结构

3.3 HCPEB处理前后微观形貌及成分分析

3.4 结果讨论

3.5 本章小结

第四章 1050 ℃条件下CoCrAlY粘结层在Na2SO4/K2SO4混合盐膜中的热腐蚀性能研究

4.1 引言

4.2 原始APS-MCrAlY粘结层热腐蚀性能分析

4.3 HCPEB-MCrAlY涂层热腐蚀性能分析

4.4 结果讨论

4.5 本章小结

第五章 1050℃条件下CoCrAlY粘结层在Na2SO4/NaCl混合盐膜中的热腐蚀性能研究

5.1 引言

5.2 原始APS-MCrAlY粘结层热腐蚀性能分析5.2.1 XRD分析

5.3 HCPEB处理后涂层热腐蚀性能分析

5.4 结果讨论

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

在读期间发表论文情况

致谢