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电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合法制备热障涂层的研究

时间:2012-09-12 10:01:49  来源:稀有金属材料与工程  作者:张东博,刘 涛,刘丽莉

  热障涂层被广泛地用在燃气轮机的叶片上,用于降低高温部件热氧化和保护基体金属的性能,从而提高航空发动机的效率。随着高流量比、高推重比、高进口温度的新型航空燃气发动机发展的需要,热障涂层技术因其特殊的高温性能,从而成为具有应用价值的技术。热障涂层可分为双层结构、梯度结构和多层结构,由于双层结构性能稳定和工艺简单,因此典型的热障涂层为双层结构,即MCrAIY(Ni,Co,Ni+Co)金属粘结层和低导热的陶瓷材料YSZ陶瓷层构成。其中,粘结层是为了缓解陶瓷涂层和基体金属的热膨胀系数不匹配和提高基体的抗氧化能力,主要是由于在高温氧化环境下,MCrAIY层中的Al将向外扩散,在涂层的表层发生选择性氧化,形成一层致密的A1203保护膜,阻止粘结层的进一步氧化,进而达到保护基体的目的。
  由于热障涂层在高温防护领域具有非常重要的作用和效果,因此,研究热障涂层的高温性能和寻找新的方法成为研究热点,目前,制备热障涂层的方法有很多种,如等离子喷涂(PS)、电子束物理气相沉积、超音速火焰喷涂(HVOF)、热喷涂和磁控溅射等。但目前在工业上被广泛应用的热障涂层制备方法主要有离子喷涂(PS)和电子柬物理气相沉积(EB.PVD)。电子束物理气相沉积是20世纪80年代发展起来的涂层制备技术,它沉积之后得到的涂层表面比较光滑,粗糙度小,涂层与基体之间的结合力良好。
  EB.PVD法制备粘结层具有良好的柱状晶结构,其抗热冲击、抗剥落性能良好[5,61。但电子束物理气相沉积技术制备热障涂层在实际应用中也有一些缺点,如,工作效率低,所制备的涂层较薄,以及受工作环境和耗能,以及电子束沉积的方向性等原因限制,寻找新的方法为人们所关注。
  等离子喷涂技术是在工业广泛应用的表面制备技术,其原理是采用在阴极和阳极之间产生直流电弧,它将通入喷嘴内的气体加热和电离,通过电离形成高温高速等离子射流(等离子焰),将送入火焰中的热喷涂粉末熔化和雾化,使其以高速喷射到经预处理的工件表面上形成涂层的方法。由于等离子喷涂方法得到的粘结层为层状结构,具有良好的隔热性能,以及其制备工艺简单、可在线修复等优点,因此,等离子喷涂是制备热障涂层的常用方法之一。电热爆炸喷涂技术是一种新兴的热喷涂技术,利用电热爆炸法可使熔融粒子获得比普通爆炸喷涂法,具有更高的喷涂速度(可达200(0-4000m/s),由于爆炸冲击波的强大作用,可在被喷涂工件表面产生极高的脉冲压力,使基材表层数微米厚度的金属在瞬间达到熔点以上的温度,使涂层与基材可产生冶金结合,因此获得的涂层具有致密、均匀、硬度高、结合强度高的优点。因此,采用电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合制备热障涂层是开辟制备热障涂层新方法的一种很好的尝试。为此,本实验对联合法所制备涂层及其性能进行研究。

摘要:采用电热爆炸喷涂和等离子喷涂联合制各热障涂层,以电热爆炸喷涂法在DZl25合金表面制各NiCoCrAIY粘结层,以等离子喷涂技术制各陶瓷顶层。利用扫描电镜(SEM)和x射线衍(XRD)仪对所制备的粘结层进行分析,结果表明:电热爆炸喷涂的粘结层与基体结合良好,喷涂态的粘结层的相主要由Ni3Al组成。采用联合法制备的热障涂层,在喷涂态的陶瓷层、粘结层、基体3者结合良好,界面清晰。在高温热循环过程中,粘结层/陶瓷层界面间生成了连续、致密的A1203膜,阻碍粘结层的氧化。粘结层/TCK)界面产生平行于界面的裂纹,是导致热障涂层失效的主要原因。
关键词:电熟爆炸喷涂;等离子喷涂;氧化;热循环
  略
  3结论
  1)采用电热爆炸,等离子联合法制备了热障涂层。
  2)采用XRD对不同状态的的牯结层表面进行了分析。结果表明。喷涂态的粘结层的相士要由Ni,AI组成。经过热循环后.涂层表面出现了a—A120,的衍射峰,同时涂层表面也形成了少量的C02Ni04等氧化物。
  3)采用电热爆炸喷涂制备粘结层和等离子喷涂制备陶瓷顶层的热障涂层,在喷涂态的陶瓷层、粘结层、基体3者结合良好,界面清晰.在高温热循环过程中,粘结层/陶瓷层界面阿牛成了连续、致密的Al归3膜,阻碍粘结层的氧化。粘结层/TGO界面产牛平行十界面的裂纹.是导致热障滁层失效的丰要原冈。
  4)采用电热爆炸喷涂所制备的粘结层,硬度比基体和陶瓷层小,能够有效的缓解基体和陶瓷顶层之间的物理性能的不匹配。

参考文献略

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