激光熔覆Al2O3/CoNiCrAlY涂层微结构特征与抗氧化性能的研究

摘要

随着航空技术的发展，航空燃气涡轮发动机的流量比、推重比、涡轮进口温度进一步提高，导致现有的高温合金难以满足要求。因此，除了开发新型高温合金，采用由YSZ陶瓷顶层和MCrAlY粘结层构成的热障涂层是目前大幅度提高航空燃气涡轮发动机工作温度切实可行的方法。一般而言，MCrAlY（M=Co，Ni或Co+Ni）涂层可降低YSZ陶瓷顶层与高温合金基材之间热胀系数不匹配，且可以进一步提高基材的抗高温氧化性能。因此，MCrAlY涂层的抗高温氧化能力被认为是热障涂层的寿命控制因素，研究其高温失效机理以及进一步提高其抗高温氧化性能，近年来引起了研究者的广泛关注。基于此，本文采用激光熔覆技术在K438合金表面分别制取CoNiCrAlY涂层和Al2O3/CoNiCrAlY两种涂层。研究了激光工艺参数、Al2O3含量对CoNiCrAlY涂层显微组织的影响与高温性能的影响，得到了如下结果。
　　(1)在K438合金上采用合适的激光工艺参数，可获得无空洞及裂纹，表面质量良好的CoNiCrAlY涂层。当激光功率过小时，涂层粉末因能量不足未得到充分的熔化和对流就凝固了，涂层内部就会开裂，产生裂纹。激光功率过大，涂层的稀释率则会偏大，导致涂层与基材间元素互扩散，破坏涂层原有的良好性能。实验发现最佳工艺参数为：P=2kW，D=3.5mm，Vg=0.8g/min，Vs=600mm/min。
　　(2)在CoNiCrAlY涂层中添加Al2O3颗粒后，涂层的宏观尺寸发生改变。和CoNiCrAlY涂层相比，添加Al2O3颗粒的CoNiCrAlY涂层宽度显著增加、厚度显著降低。除此之外，涂层稀释率成倍增加，加入25％Al2O3颗粒的涂层是同工艺下未加Al2O3颗粒涂层的4.33倍。
　　(3)不同工艺参数制备的CoNiCrAlY熔覆层由三个区域组成：熔覆区(Cladding Zone)、结合区(Bonding Zone)和热影响区(Heat Affection Zone)。涂层与基材之间是冶金结合。CoNiCrAlY涂层从下往上显微组织依次为平面晶、柱状树枝晶或胞状树枝晶、等轴晶。
　　(4)不同激光工艺参数制备的CoNiCrAlY涂层的物相均由α-Co、γ-(Ni,Cr)、γ′-Ni3Al、Cr2Ni3组成，区别是涂层中各物相的相对含量不同。当激光功率增加时，γ′-Ni3Al含量降低，α-Co和γ-(Ni,Cr)含量提高；当扫描速度增加，γ′-Ni3Al含量增加；当送粉速度增加，γ′-Ni3Al和α-Co含量降低，Cr2Ni3和γ-(Ni,Cr)含量提高。当其他工艺参数一定时，激光扫描速度越小，CoNiCrAlY涂层中柱状晶体越多。
　　(5)和未添加Al2O3的涂层相比，添加Al2O3的涂层中柱状晶变细，物相组成也相同，熔覆层中的Al2O3粒径约为3um，是原始粉末的0.06~0.04倍。
　　(6) K438在1100℃下氧化呈直线规律，未添加Al2O3颗粒的CoNiCrAlY涂层以及Al2O3/CoNiCrAlY涂层均符合抛物线规律。高温合金K438氧化后物相由α-Co、γ-(Ni,Cr)、γ′-Ni3Al、α-Al2O3、Cr2O3、NiO、(Co,Ni)(Al,Cr)2O4以及TiO2组成。未加Al2O3颗粒的涂层氧化后XRD物相和Al2O3/CoNiCrAlY涂层物相组成相似，均由α-Co、γ-(Ni,Cr)、γ′-Ni3Al、α-Al2O3、Cr2O3、NiO、(Co,Ni)(Al,Cr)2O4组成。添加Al2O3颗粒的涂层中尖晶石衍射峰较弱，表明Al2O3的添加有助于涂层抑制有害尖晶石氧化物的生长。
　　(7)在一定范围内，激光功率的增加有助于提高涂层的抗氧化性能。激光工艺P=2.5kW下制备的涂层抗氧化性比相同条件下P=2kW制备的涂层抗氧化更优异。扫描速度越小，涂层抗氧化性能越好。
　　(8)未加Al2O3颗粒的涂层1100℃恒温氧化200h后没有发生内氧化，而添加Al2O3颗粒的涂层由于稀释率过大氧化后发生内氧化，且在基体内形成了AlN。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2高温合金概述

1.3高温防护涂层概述

1.4 MCrAlY涂层制备技术及提高其抗氧化性能方法

1.5本文研究目的和内容

第二章 自动送粉激光熔覆的工艺研究

2.1 引言

2.2 实验材料、设备与方法

2.3 实验结果与分析

2.5本章小结

第三章 Al2O3/CoNiCrAlY涂层显微结构特征研究

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3实验结果

3.4分析与讨论

3.5本章小节

第四章 激光熔覆CoNiCrAlY涂层抗氧化性能研究

4.1前言

4.2 实验材料与方法

4.3实验结果

4.4分析与讨论

4.5本章小结

第五章 激光熔覆Al2O3/CoNiCrAlY涂层抗氧性能研究

5.1 前言

5.2实验材料与方法

5.3实验结果

5.4分析与讨论

5.5本章小结

第六章 总结

参考文献

攻读硕士期间发表论文与申请专利

一、发表论文

二、申请专利

致谢

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