直接激光沉积NiCrAlY/Al2O3功能梯度材料工艺与性能研究

摘要

镍基合金是一种优异的高温材料，在中、高温度下依旧可保持优异的综合性能，但是随着航天技术以及能源技术的飞速发展，使役条件也变得多元化，使役温度也越来越高，超出了镍基合金正常的使役温度，单纯的镍基合金已经无法满足使用需求。目前在零部件表面制备涂层材料是最有效的办法，可以大大提高部件的耐高温性、耐磨性以及耐腐蚀性，可以适应多元化的使用需求。热障涂层作为包覆型高温防护涂层是第四代高温防护涂层，其表层为陶瓷层，中间为粘结层，底部为高温合金，能够有效到起到隔热、抗腐蚀、抗磨的作用，广泛用于航天能源等领域。NiCrAlY拥有优异的抗高温性能，还有很好的韧性和抗疲劳强度，既可以作为热障涂层中的粘结层，也可以单独使用。Al2O3陶瓷不仅硬度高耐磨损，而且拥有极好的抗高温氧化性能。但是由于金属与陶瓷之间存在一定的热物性参数的差异，在温度和载荷循环作用下，表层陶瓷层容易剥落，从而使涂层失效。而功能梯度的形式可以使得材料成分逐渐过渡，减小界面效应，缓和应力集中。采用直接激光沉积技术制备功能梯度材料，组织致密，结合力强。 本研究主要是利用直接激光沉积技术开展成形NiCrAlY/Al2O3功能梯度材料的研究。通过工艺实验优化工艺参数，成形不同成分比例NiCrAlY/Al2O3复合材料，对其进行微观组织分析以及力学性能检测；根据复合材料成形实验结果选择梯度路径成形梯度材料，对成形梯度件进行微观组织检测以及力学性能分析。本课题研究的主要内容如下： （1）进行不同成分比例NiCrAlY/Al2O3复合材料工艺实验研究。分别进行单道单层实验、单道多层薄壁成形实验以及多道多层块体成形实验，探索工艺参数（激光功率，送粉速率，扫描速度等）对成形样件的影响规律，获得形貌良好的不同成分复合材料以及结构的合适成形参数。 （2）对工艺实验中成形的不同比例NiCrAlY/Al2O3复合材料样件进行相组成、微观组织以及元素分布检测。分析不同样件之间物相、微观组织以及元素分布之间的差异，为之后性能检测提供理论依据。 （3）对工艺实验中成形的不同比例NiCrAlY/Al2O3复合材料样件进行力学性能检测。评价不同成分材料的性能，包括硬度检测、摩擦磨损检测以及耐腐蚀性检测，结合微观组织进行相关分析。 （4）根据复合材料成形实验基础，选择合适的成分进行梯度材料成形。针对成形梯度样件分别进行微观组织及元素分布检测，并且进行力学性能检测。

目录

声明

1 绪论

1.1 典型的涂层材料

1.1.1 扩散型铝化物涂层

1.1.2 包覆型MCrAlY涂层

1.1.3 热障涂层

1.1.4 热障涂层材料的制备方法及存在问题

1.2 直接激光沉积热障涂层功能梯度材料

1.2.1 直接激光沉积原理及国内外研究现状

1.2.2 直接激光沉积热障材料国内外研究现状

1.2.3 直接激光沉积功能梯度材料国内外研究现状

1.2.4 直接激光沉积功能梯度热障材料国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容

2 直接激光沉积NiCrAlY/Al2O3梯度材料工艺研究

2.1 实验方法

2.1.1 直接激光沉积实验系统

2.1.2 实验材料

2.1.3 实验方案

2.1.4 实验样件制备与检测方法

2.2 直接激光沉积NiCrAlY/Al2O3复合材料

2.2.1 单道单层实验

2.2.2 单道多层实验

2.2.3 多道多层实验

2.3 直接激光沉积NiCrAlY/Al2O3梯度材料

2.4 本章小结

3 不同成分比例NiCrAlY/Al2O3梯度材料微观组织研究

3.1 不同成分比例NiCrAlY/Al2O3复合材料微观组织

3.1.1 NiCrAlY/Al2O3复合材料相组成及微观组织

3.1.2 NiCrAlY/Al2O3复合材料元素分布

3.2 NiCrAlY/Al2O3梯度材料微观组织分析

3.2.1 NiCrAlY/Al2O3梯度材料微观组织及元素分布

3.2.2 NiCrAlY/Al2O3梯度材料元素分布

3.3 本章小结

4 不同成分比例NiCrAlY/Al2O3梯度材料力学性能检测

4.1 硬度检测

4.2 摩擦磨损检测

4.2.1 试验方法及设备

4.2.2 摩擦系数

4.2.3 不同成分样件摩擦率

4.2.4 不同成分样件摩擦表面形貌

4.3 电化学腐蚀性能

4.3.1 电化学腐蚀试验原理

4.3.2 电化学腐蚀试验设备及方法

4.3.3 中性溶液电化学腐蚀特性

4.3.4 酸性溶液电化学腐蚀特性

4.3.5 碱性溶液电化学腐蚀特性

4.4 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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