Zr改性铂铝涂层循环氧化和热腐蚀行为的研究

摘要

单相铂铝涂层作为一种改性铝化物涂层，具有比传统铝化物涂层更为优异的抗氧化性能、抗热腐蚀性能和力学性能，作为热障涂层的粘结层，被广泛用于航空发动机涡轮叶片或其他热端部件上。常见的铂铝涂层制备工艺包括首先在高温合金上预电镀铂层（3-8μm）和后续渗铝处理。但是，普通单相铂铝涂层(主要为β-(Ni，Pt)Al)在循环氧化过程中易发生相变而引起体积变化，并伴有热膨胀系数不匹配导致的热应力产生，导致其表面氧化膜易发生褶皱且起伏程度较大，最终氧化膜开裂和剥落。本论文通过在镀铂过程中添加Zr微粒，并采用普通铂铝涂层相同渗铝工艺制备一种Zr改性的单相铂铝涂层，以稀有元素Zr的添加来改善单相(Ni,Pt)Al涂层的抗循环氧化和抗热腐蚀性能，延长铂铝涂层的使用寿命。 本文通过复合电镀工艺制备了Zr改性铂铝涂层，对比研究了普通渗铝涂层，普通铂铝涂层和Zr改性铂铝涂层的循环氧化行为和热腐蚀行为，并讨论了Pt和Zr对涂层循环氧化和抗热腐蚀行为的影响。主要获得如下主要结论: (1)将粒径为0.1μm-10μm的Zr粉加入到镀铂液中配成悬浮液，把表面处理好的N5基体放入电镀液中进行复合电镀，然后真空扩散退火，最后进行气相渗铝得到Zr改性的铂铝涂层。涂层由两层组成，外层为β相，Zr固溶在β相里面，含量大约为1％（原子百分比），内层是互扩散区(IDZ)。 (2)将普通渗铝涂层，普通铂铝涂层和Zr改性的铂铝涂层在空气中进行1100℃循环氧化测试，结果表明，普通渗铝涂层氧化膜生长得最快，200次循环后就出现NiAl2O4尖晶石相，在350次循环后氧化膜就发生开裂和剥落;普通铂铝涂层氧化膜生长较慢，在400次循环后出现第一次减重直到800次才开始失稳减重。800次循环后，普通铂铝涂层表面发现有NiAl2O4尖晶石相生成，氧化膜与涂层之间出现裂纹。Pt的添加降低了氧化膜生长速率，提高了氧化膜的粘附性。 (3)Zr改性的铂铝涂层表现出最好的抗循环氧化性能:800次循环过程中样品没有发生明显减重，XRD结果中没有发现尖晶石相生成。氧化膜与涂层之间没有发生开裂和剥落，表面氧化膜褶皱程度较小。这可能是因为Zr元素在晶界中偏聚，起到了“堵塞效应”，阻碍了Al的向外扩散，降低了氧化膜的生长速率，同时Zr元素在氧化膜/涂层界面处偏聚抑制了界面处空洞的形成，提高了氧化膜的粘附性。Zr改善表面氧化膜褶皱的具体作用机制将会进一步研究。 (4)将上述三种样品在850℃Na2SO4/NaCl(75∶25，w/w)混合盐中进行热腐蚀试验，结果表明:普通渗铝涂层腐蚀得最快，80h就开始失稳减重，发生了严重的内氧化和内硫化;普通铂铝涂层抗热腐蚀性能较好，200h样品没有发生减重，内氧化内硫化程度较轻，这可能是由于Pt的存在有利于促进α-Al2O3的生成，在热腐蚀初期促进氧化膜快速形成，从而阻碍腐蚀性盐膜的直接入侵，降低了内氧化和内硫化发生概率。同时Pt富集在氧化膜/涂层界面处，有利于抑制空洞的形成，提高氧化膜的粘附性。 (5)Zr改性的铂铝涂层抗热腐蚀性能最好，表面氧化膜生长速率最慢，内氧化和内硫化程度最轻。Zr对涂层抗热腐蚀性能的有益作用类似于对涂层循环氧化性能的影响。可能的机制是:较大离子半径的Zr离子在氧化膜晶界处偏聚，造成“堵塞效应”，阻碍了Al和Cr离子的向外扩散，导致氧化膜的生长速率进一步降低，同时Zr偏聚于氧化膜/涂层界面处，可以抑制界面处空洞的形成，提高了氧化膜的粘附性。Zr对热腐蚀的作用机制也将会进一步研究。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2高温防护涂层

1．2．1铝化物涂层

1．2．2改进型铝化物涂层

1．2．3包覆涂层

1．2．4热障涂层(TBCs)

1．3涂层性能要求

1．4渗铝工艺及其原理

1．5本文的研究目的、内容与目标

1．5．1研究目的

1．5．2研究内容

1．5．3研究目标

2．1实验样品制备

2．2涂层的制备

2．3性能测试

2．3．1高温循环氧化实验

2．3．2高温热腐蚀实验

2．4分析测试方法简介

2．4．1 X射线衍射

2．4．2扫描电镜

2．4．3电子探针分析

第3章Zr改性铂铝涂层对N5单晶循环氧化性能的影响

3．1引言

3．2实验方法

3．3实验结果

3．3．1原始涂层的组织结构

3．3．2 1 100 ℃循环氧化实验

3．4分析与讨论

3．4．1 Pt元素对涂层抗循环氧化性能的影响

3．4．2 Zr的添加对铂铝涂层的影响

3．4．3互扩散行为的影响

3．5本章小结

第4章Zr改性铂铝涂层对N5单晶热腐蚀性能的影响

4．1引言

4．2实验方法

4．3实验结果

4．4分析与讨论

4．4．1热腐蚀机制

4．4．2 Cl-离子的作用

4．4．3元素Pt对热腐蚀的作用

4．4．3 Zr元素的添加对铂铝涂层抗热腐蚀性能的影响

4．5本章小结

第5章总结论

参考文献

致谢

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