中国工程论文网
代写工程论文
当前位置:工程论文网 > 材料工程论文 > GH4169合金电火花沉积NiCrAlY涂层组织及抗氧化性能研究

GH4169合金电火花沉积NiCrAlY涂层组织及抗氧化性能研究

时间:2017-03-07 21:03来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是材料工程论文,本文是在不同的工艺参数下,在GH4169 表面电火花沉积 Ni Cr Al Y 涂层,研究不同工艺参数的 Ni Cr Al Y 涂层的表面形貌,截面形貌。
第1章 绪论 
 
1.1 研究背景 
镍基合金在工业生产方面应用的比较广泛,是最常用的一类高温合金,且具有较优异的力学性能,如高温抗氧化,抗腐蚀等,是航空航天,汽车,轮船等领域的热端部件的主要材料。但是随着科学技术的迅猛发展,对热端部件的工作要求也逐渐升高,航空涡轮发动机燃烧室的工作温度已经超过了高温合金的极限温度和抗腐蚀能力。为解决这一问题,研究学者提出了在合金表面涂覆不同功能的涂层来适应其在不同环境下的性能要求,如高温隔热,抗氧化及腐蚀等性能。 在高温防护涂层中,Ni Cr Al Y 涂层在实际应用方面是比较广泛的,它既可以作为热障涂层的粘结层,降低基体合金和陶瓷涂层热膨胀系数的差异,提高它们之间的结合能力;还可以单独作为涂层使用,提高基体合金的高温抗氧化和抗腐蚀等性能。 当前,最常用的制备 Ni Cr Al Y 涂层的方法有物理气相沉积,热喷涂,磁控溅射,电火花沉积等。其中,在这些制备方法中,电火花沉积技术由于成本较低,操作简单,且对工件的形状和尺寸要求不大,在表面改性领域已经成为一个重要的技术。因此,本文采用电火花沉积的方法制备不同参数的 Ni Cr Al Y 涂层,并研究其组织结构和不同温度的高温抗氧化性能,确定其在工业生产中的长时使用温度。 
........
 
1.2 高温防护涂层的概述 
自 20 世纪中叶以来,高温防护涂层不断地发展进步,现已取得了巨大的成果,并在航空航天,机电,轮船等多个领域的应用方面得到了显著提高[1]。其中,高温防护涂层在其不断发展壮大的过程中主要经历了四个阶段[2,3],依
次为单一扩散渗铝涂层,改性扩散渗铝涂层,MCr Al Y 包覆涂层和热障涂层。 渗铝涂层(aluminide  coatings)最早是由 Van  Aller 在  1911  年的美国专利中采用粉末包埋法(pack  cementation)制备的[4]。随后在 50 年代开始用于导向叶片,并在 1960s 成功研制了 β-Ni Al 基涂层,但由于 β-Ni Al 有一定的脆性,开裂倾向增大,涂层容易失效。 由于单一扩散的渗铝涂层存在的各种缺陷,学者们提出在第一代渗铝涂层中加入一些合金元素提高涂层脆性和高温抗腐蚀性能,如加入 Cr,Pt,Si 等。而在加入的众多元素中,Pt-Al 二元涂层改善合金性能是最明显的。Pt 可以通过提高涂层中 Al2O3 的粘结性来提高涂层的组织稳定性[5]。而在现在改性扩散渗铝涂层在航空发动机叶片上也应用的很广泛。 MCr Al Y 包覆涂层是通过物理或化学的方法在材料表面沉积而形成的涂层。在 MCr Al Y 涂层中,M 代表 Ni,Co,Fe 或它们的复合;Cr  对氧化膜的形成有促进作用,且有助于提高基体合金的抗腐蚀能力;Al 的存在可使涂层表面能够形成 Al2O3 薄膜,对涂层起到保护作用,阻止涂层继续氧化;Y 可提高涂层的抗热震性能,对合金中的元素起到定扎作用,增加 Al2O3 和 MCr Al Y 的结合强度[6-9]。 MCr Al Y 防护涂层从 20 世纪 60 年代发展以来,进行不断地调整其成分,结构和制备工艺提高涂层的抗氧化和耐腐蚀等性能。其中对于 Ni Cr Al Y 涂层的研究有很多,如在高温合金表面通过冷喷涂沉积纳米结构  Ni Cr Al Y  涂层,氧化后形成连续均匀的氧化膜,涂层氧化性能较好[10];采用爆炸喷涂的方法制备Ni Cr Al Y 涂层,在高温氧化 300  h 后氧化膜依旧保持完整,Ni Cr Al Y 涂层具有优异的抗氧化性[11]。 
..........
 
第2章 实验方案及实验方法
 
2.1 实验流程
根据本次实验的目的和意义制定了工作方案,具体的实验流程图如图 2-1所示。
.....
 
2.2 实验材料 
电火花沉积的基体材料为 GH4169,表 2-1 为其具体的化学成分,且通过线切割将试样制成尺寸为 10  mm×10  mm×1  mm,之后将试样磨平处理,最后用丙酮和酒精清洗试样待用。本实验沉积涂层采用的设备为 Micro Depo Model 150  型电火花沉积装置。电火花沉积设备包括电源系统,旋转焊枪和保护气体装置。电源系统控制电压,电容,放电频率三个参数。电压有 50 V,100 V 和 150 V 三个档;电容是由 10  μF、20  μF、40  μF 和 80  μF 四个开关控制,电容的多少由四个开关中一个或多个之和控制;放电频率有 9 个档,分别是 1-9,对应的频率见表 2-3。 
....... 
 
第 3 章  电火花沉积工艺优化 ...... 16 
3.1  引言 ...... 16 
3.2  工艺参数对涂层组织的影响 ....... 16 
3.3  工艺参数对涂层力学性能的研究 ......... 20
3.4  工艺参数对涂层抗氧化性能的影响 ..... 24 
3.4.1 Ni Cr Al Y 涂层恒温氧化动力学规律 ......... 24 
3.4.2 Ni Cr Al Y 涂层恒温氧化表面形貌 ............. 26 
3.4.3 Ni Cr Al Y 涂层恒温氧化截面形貌 ............. 29 
3.4.4 Ni Cr Al Y 涂层和氧化膜结合力 ....... 33 
3.5  本章小结 ........ 34 
第 4 章  Ni Cr Al Y 涂层的抗氧化性能研究 ...... 36 
4.1  引言 ...... 36 
4.2 Ni Cr Al Y 涂层恒温抗氧化性能研究 ...... 36
4.3 Ni Cr Al Y  涂层循环氧化性能 ....... 49 
4.4  本章小结 ........ 57 
 
第4章 Ni Cr Al Y 涂层的抗氧化性能研究 
 
4.1 引言 
在科学技术迅猛发展的今天,随着航空燃气涡轮发动机的使用标准的不断提升,需对其推力,效率,油耗等进行大幅度改进。目前,主要通过采用提高涡轮进口温度的方法增强流量比和增压比,而达到提高发动机推力、降低其油耗的目的。然而,涡轮进口温度的提高对目前材料的抗高温性能带来很大挑战,因此对现用材料性能的提高势在必行,而较为成熟且效果最好的方法就是涂覆涂层。 在高温防护涂层中,Ni Cr Al Y 涂层由于其具有高温抗氧化,抗热冲击,抗腐蚀等优点既可作为防护涂层单独涂覆在基体表面,也可在热障涂层的粘结层中得到广泛应用,研究 Ni Cr Al Y 涂层能够长时使用的温度对涂层的后续使用是有着及其重要的意义的。 从上一章的结论可知,电火花沉积 Ni Cr Al Y 涂层获得了较优的工艺方案,选择高硬度,高结合强度,较快的沉积速率以及优异的高温抗氧化特性的工艺参数进行后续实验。本章重点是以电压 100  V,电容 40  μf 的电火花沉积工艺参数制备厚度 200  μm 的 Ni Cr Al Y 涂层,在箱式电阻炉中研究该涂层以及 GH4169  合金基体在  850  ℃、900  ℃和 1000  ℃静态常压大气条件下的高温抗恒温氧化和循环氧化特性。 
........
 
结论 
 
本研究采用电火花沉积技术在 GH4169 基体表面沉积不同参数的 Ni Cr Al Y涂层,通过对 Ni Cr Al Y 涂层沉积规律,组织结构,物相组成,硬度,结合力及恒温氧化性能等的分析,获得性能较好的电火花沉积参数。对较优的参数沉积参数制备 Ni Cr Al Y 涂层,之后进行 850  ℃、900  ℃和 1000  ℃三个不同温度的恒温氧化和循环氧化测试,探究温度对涂层抗氧化性能影响,得出如下结论:
(1) Ni Cr Al Y 涂层沉积速率随着电压的增加,逐渐增加;而电容对涂层沉积速率影响不大。对于 Ni Cr Al Y 涂层来说,沉积电压为 100 V 的涂层硬度略高于电压为 150  V 的涂层硬度,且在沉积电压 100  V,电容 40  μf 时涂层硬度最大,约为 475  HV。在涂层和基体的结合力方面,各个参数的涂层结合力皆超过 80 N,涂层和基体之间结合强度较高。 
(2) 在不同沉积参数涂层的恒温氧化性能方面,首先随着电压的升高,涂层的抗氧化性能降低,随着电容的升高,涂层抗氧化性能先降低后升高。因此沉积电压 100  V,电容 120  μf 的涂层抗氧化性能最好。在不同厚度方面,涂层厚度越薄,抗氧化效果越好,根据实际应用中对涂层厚度的不同要求,选择厚度 200  μm 的涂层较好。根据沉积速率,硬度及抗氧化性能等综合考虑,较优的沉积参数为电压 100 V,电容 40 μf,厚度 200 μm。 
(3) 基体合金在恒温氧化和循环氧化过程中均出现剥落,且在靠近氧化膜内部的基体合金缺陷较多,氧化膜失效。氧化膜主要为 Cr2O3。 
(4) 随着恒温氧化温度的升高,涂层的氧化速率常数逐渐增大,其抗氧化性能逐渐降低;随着氧化时间的增加,Al2O3 含量增加,膜层增厚;随着氧化温度的增加,涂层的氧化膜增厚,膜层表面的裂纹增多,θ-Al2O3 逐渐转化为α-Al2O3。涂层结合强度的氧化膜级别均大于 HF3,该等级氧化膜对涂层具有良好的保护性。 
(5) 在循环氧化过程中,循环次数相同时,氧化膜剥落程度和氧化温度成正比,而在氧化温度相同时,循环次数越多,氧化膜厚度略高,剥落越多。涂层的氧化膜成分主要为 Al2O3。对于氧化膜和涂层的结合力,其结合强度最差的氧化膜级别为 HF3,该等级的氧化膜对涂层的保护作用较高。  
.........
参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
栏目列表
点击提交代写需求
点击提交代写需求
点击提交代写需求
推荐内容