真空热处理对NiCrAlY涂层抗高温氧化性能的影响

作     者：郑嘉辉 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨德明

授予年度：2021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）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：真空热处理 NiCrAlY 超音速火焰喷涂 抗高温氧化性能 TGO 

摘      要：热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs)是将同时具有耐高温、低导热性和高抗腐蚀性的材料以涂层的形式涂覆在基体表面上以保护热端部件不受高温燃气侵蚀的一种表面防护技术。热障涂层通常由具有隔热作用的陶瓷顶层(Top Coating,TC)和防止高温合金基体氧化的粘结层(Bond Coating,BC)构成。粘结层的抗高温氧性是影响热障涂层寿命的一个关键性因素,为了与发动机性能不断发展的需求相适应,改善粘结层的抗高温氧化性能成为相关领域的重要研究方向。本文主要研究了真空热处理对超音速火焰喷涂(HVOF)和低压等离子喷涂(LPPS)NiCrAlY粘结层组织和抗高温氧化性能的影响,以及NiCrAlY粘结层进行真空热处理后对YSZ热障涂层寿命的影响。首先对低压等离子喷涂和超音速火焰喷涂制备的独立NiCrAlY涂层在不同温度(1000℃、1100℃、1200℃)条件下进行真空热处理,通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)等对涂层组织的和相结构进行了表征。其次对原始涂层和经过真空热处理后的涂层进行21小时,1100℃的氧化试验,研究真空热处理前后的组织转变对抗高温氧化性能的影响。最后,在Ni基高温合金基体表面利用HVOF制备NiCrAlY涂层,经过真空热处理后,使用大气等离子喷涂(APS)在其表面制备YSZ涂层,形成热障涂层体系,通过氧化和热震试验,研究不同热处理条件对热障涂层寿命的影响。得出以下结论:(1)LPPS涂层为层片铺展状结构,HVOF涂层为颗粒堆积状结构。经过1000℃、1100℃真空热处理后的LPPS涂层抗高温氧化性能无显著变化,经过1200℃真空热处理后的LPPS涂层的单位面积增重最大,氧化速率最快,涂层内部氧化最严重,抗高温氧化性明显最差。经过1100℃、1200℃真空热处理后HVOF涂层比LPPS涂层的抗高温氧化性更好。(2)随着真空热处理温度逐渐升高,HVOF涂层内部的孔隙率逐渐减少,涂层内部的β-NiAl相的分布变得更加弥散,尺寸发生粗化,生成了新的γ’-NiAl相。随着真空热处理温度升高,涂层氧化试验后单位面积氧化增重和氧化速率逐渐减小,抗高温氧化性能逐渐提高。1200℃真空热处理涂层单位面积增重最小,涂层内部只有轻微氧化,热生长氧化物(Thermally grown oxide,TGO)只由单一的α-AlO构成,表现出了最好的抗高温氧化性能。原始涂层内部氧化最严重,TGO表面存在θ-AlO晶须和CrO,抗高温氧化性最差。(3)在热障涂层体系中,随着真空热处理温度升高,基体和粘结层发生互扩散,扩散层厚度逐渐变厚,1100℃真空热处理涂层和1200℃真空热处理涂层表面发生了β-Ni Al相的偏聚现象。1200℃真空热处理涂层表面生长的TGO组织最为均匀致密,且内部氧化物含量最少,对热障涂层的寿命最有利。原始HVOF涂层的TGO表面出现CrO,且涂层内部氧化严重,对热障涂层寿命不利。经过40次热震试验后,基体和粘结层进行过真空热处理的热障涂层体系表现出更好的抗热震性。说明对NiCrAlY涂层进行真空热处理有利于提高热障涂层的寿命。