Cr3C2-NiCr超音速火焰喷涂涂层研究

摘要

本文研究了汽轮机阀杆超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层。考察了服役后表面完好、表面起泡未脱落和表面全脱落的三种涂层,模拟制备相同材料和工艺的Cr3C2-NiCr涂层,进行热震、水蒸气高温腐蚀和压力等实验,考察热冲击、高温高湿和表面压力等因素对涂层裂纹萌生扩展的影响。通过光学显微镜、SEM、EDS、XRD和显微硬度计考察失效涂层和模拟涂层的成分、组织、裂纹和硬度变化情况。分析探讨汽轮机阀杆Cr3C2-NiCr涂层剥落失效的机制。
　　通过对失效汽轮机阀杆超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层观察发现,涂层脱落面主要位于其截面中部,脱落物面积在30mm′30mm~100mm′100mm,脱落物内部有大量平行于表面的裂纹;脱落物的表面、脱落面、裂纹面和涂层内部局部区域都发生了严重氧化,氧化物为Cr2O3、NiO和NiCr2O4;脱落物的原始断面断裂形貌与脱落物折断断面相似,但与脱落面相差较大。阀杆表面完好涂层的截面有裂纹,主要位于Cr3C2处;NiCr粘结相的灰色区域中有二次相Cr3C2微细颗粒析出。阀杆未脱落起泡处的涂层是由NiCr粘接相连接,而Cr3C2已经裂开。
　　通过热震实验发现,热震只能在涂层中产生垂直于表面的裂纹;裂纹主要在Cr3C2颗粒中萌生和扩展,NiCr有抑制裂纹扩展的作用;涂层裂纹密度随热震次数的增加依次经过孕育期、加速增长期和稳定期。
　　通过高温水蒸气腐蚀实验以及热震与高温水蒸气腐蚀交互实验发现,高温水蒸气环境能加快涂层表面氧化,氧化物为Cr2O3、NiO和 NiCr2O4。由于高温长期作用,涂层中的NiCr灰色区域中有Cr3C2二次相重新析出,形成微细颗粒均匀分布在NiCr粘结相中,涂层硬度降低。高温水蒸气腐蚀对垂直于表面的涂层贯穿裂纹的影响并不大。
　　通过压力实验发现,超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层在压力作用下的破裂包括三种形式:孔洞处碎裂、失碳碳化铬碎裂和Cr3C2碎裂,并且依次更困难。Cr3C2硬质颗粒碎裂时,涂层硬度会明显降低。循环的压力能加速Cr3C2-NiCr涂层的破裂。由于Cr3C2相颗粒和粘结相基本平行于表面成带状分布,Cr3C2硬质颗粒沿分布带碎裂后造成涂层沿平行于表面方向开裂。

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1第一章 绪 论

1.1选题的来源、背景和意义

1.2 Cr3C2-NiCr材料概况

1.3超音速火焰喷涂技术概况

1.4 Cr3C2-NiCr超音速火焰喷涂涂层性能特点

1.5 Cr3C2-NiCr超音速火焰喷涂涂层的应用

1.6研究内容

2第二章 实验方法

2.1实验材料

2.2实验设备

2.3实验设计及方法

2.4试样制备

3第三章 阀杆失效超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层的分析

3.1宏观分析

3.2微观分析

3.3本章小结

4第四章 热震和高温高湿对涂层的影响

4.1原始涂层分析

4.2热震对涂层的影响

4.3水蒸气高温腐蚀对原始涂层的影响

4.4水蒸气高温腐蚀对有热震缺陷涂层的影响

4.5本章小结

5第五章 压应力对涂层的影响

5.1应力分析

5.2涂层破裂情况分析

5.3硬度分析

5.4本章小结

6第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢