γ-TiAl合金表面NiCoCrAlY/ZrO2复合镀层高温氧化性能研究及有限元分析

作     者：陆海峰 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：缪强

授予年度：2017年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：γ-TiAl合金 NiCoCrAlY/ZrO2复合镀层 高温氧化 热-结构耦合分析 

摘      要：γ-TiAl合金作为一种金属间化合物,具有密度低、比强度高、高温强度和抗蠕变性优异等优点,逐渐成为航空航天、发动机等领域的新兴材料。但γ-TiAl合金的抗高温氧化性能较为不足,不能满足零部件的使用温度,因此其应用受到严重制约。为解决这一问题,本课题以射频溅射和反应溅射技术相结合,在γ-TiAl合金表面制备NiCoCrAlY/ZrO复合镀层,以期改善其抗高温氧化性能。本课题先采用射频溅射技术在γ-TiAl合金表面制备NiCoCrAlY镀层,其中利用正交方法,分析射频功率、工作气压、极间距和保温时间四个工艺参数对涂层性能的影响,从而得出最佳工艺参数;然后采用反应溅射技术在NiCoCrAlY镀层表面制备ZrO镀层;最后对复合镀层进行真空扩散退火处理。采用SEM、EDS及XRD等测试手段分析NiCoCrAlY/ZrO复合镀层的表面及截面形貌、成分组成和相结构,并进行硬度检测、结合力测试及纳米压痕试验。研究NiCoCrAlY/ZrO复合镀层在不同温度、不同时间下高温氧化行为,分析其氧化机理;进行热-结构耦合有限元分析,得出温度场及热应力分布结果。结果表明:(1)射频溅射制备NiCoCrAlY镀层的最佳工艺参数为:射频功率320W,工作气压0.7Pa,极间距20mm,保温时间4h;反应溅射制备ZrO镀层的工艺参数为:射频功率230W,工作气压0.5Pa,极间距20mm,保温时间3h,氩气和氧气流量比5:1;真空扩散退火的工艺参数为:加热至1000℃,保温3h。(2)NiCoCrAlY/ZrO复合镀层致密均匀,总厚度约为60μm,由8μm厚的ZrO外层、38μm厚的NiCoCrAlY沉积层及14μm厚的NiCoCrAlY扩散层组成。(3)NiCoCrAlY/ZrO复合镀层的显微硬度达到1176.7HV0.1,较基体相比提高了近4倍;复合镀层的结合力为57.5N,结合强度在38.98MPa0.11MPa之间;复合镀层纳米硬度和弹性模量为13.85GPa和247GPa,分别为基体的1.8倍和1.3倍。(4)在750℃、850℃和950℃氧化时,NiCoCrAlY/ZrO复合镀层未出现裂纹、剥落的现象,表现出良好的抗高温氧化性;在1050℃氧化时,随着时间的增加,复合镀层产生裂纹,大大降低了复合镀层的抗高温氧化性能。(5)根据温度场分布结果,NiCoCrAlY/ZrO复合镀层承受着最高温度,有效地降低了γ-TiAl合金基体内温度,起到良好的隔热作用;根据热应力分布可知,随着温度的升高,复合镀层和基体界面间热拉应力不断增大,在1050℃时,热拉应力接近复合镀层结合强度,高温氧化时热应力容易导致复合镀层开裂,破坏其抗高温氧化性。