發(fā)布時間：2020-11-21 06:44

　　 耐高溫,高隔熱的熱障涂層可以提高發(fā)動機的性能與熱效率,被公認為是目前大幅度提高航空發(fā)動機工作溫度最切實可行的方法。β-NiAl金屬間化合物因其具有熔點較高,密度較低和楊氏模量較高等優(yōu)點,是最有應(yīng)用潛力的熱障涂層粘結(jié)層材料。NiAl合金雖然具有較強抗高溫氧化性能,但是NiAl合金的室溫脆性和高溫循環(huán)氧化性能差限制了NiAl合金在實際中的應(yīng)用。大量研究都表明使用活性元素可以降低氧化速率并且明顯提高氧化膜與合金基底的粘結(jié)性,但是考慮活性元素添加對氧化過程中微結(jié)構(gòu)影響的研究較少,因此本論文采用XRD、SEM、EDS和TEM等表征方法對NiAlHf合金950℃高溫氧化1 h、8 h、16 h和24 h后樣品氧化膜與合金界面處微結(jié)構(gòu)的演變進行了細致的分析,主要研究內(nèi)容如下:(1)運用XRD和SEM等表征方法初步對原始合金和氧化后的材料進行微觀結(jié)構(gòu)演變分析。結(jié)果顯示:原始合金中主要是β-NiAl相;合金950℃等溫氧化后氧化膜中主要是葉片狀的γ-Al_2O_3;氧化膜比較平整,氧化膜和合金界面存在大尺寸孔洞。隨著氧化時間的延長,某些孔洞的內(nèi)表面出現(xiàn)一層薄薄的氧化物。合金中的Hf擴散到氧化物與金屬基底界面處形成釘狀氧化物,這種氧化物是核殼結(jié)構(gòu),中心是HfO_2,外層是Al_2O_3。這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于HfO_2周圍的O擴散速率較高,在氧化膜和合金界面形成短路擴散通道,O優(yōu)先與擴散路徑中存在的Al反應(yīng)形成Al_2O_3。高溫下Hf主要以HfO_2的形式分布在氧化膜和合金界面處,在上層氧化膜中沒有Hf的存在。(2)運用TEM和EDS對950℃氧化24 h后NiAlHf合金的微觀組織結(jié)構(gòu)進行了詳細表征,進一步對氧化機理進行了分析,結(jié)果表明:在氧化早期由于Al元素含量較多,合金表面最先氧化生成γ-Al_2O_3。隨著氧化時間的延長,表層γ-Al_2O_3逐漸生長,Hf也向界面擴散形成HfO_2,由于柯肯達爾效應(yīng)導致氧化膜和合金界面出現(xiàn)大尺寸孔洞,O向內(nèi)擴散導致孔洞內(nèi)表面逐漸出現(xiàn)氧化物。其中孔洞內(nèi)部氧化物隨著氧化時間的延長逐漸形成由θ-Al_2O_3、NiAl_2O_4和HfO_2組成的層狀結(jié)構(gòu)�？锥磧�(nèi)氧化物的形成機理是:由于孔洞中氧壓較低,Al發(fā)生選擇性氧化優(yōu)先形成θ-Al_2O_3,隨后界面附近合金中Ni富集導致Ni與θ-Al_2O_3反應(yīng)生成NiAl_2O_4,含量較少的Hf元素也隨著Ni元素向外擴散與氧反應(yīng)生成HfO_2彌散分布在尖晶石相中,這一過程不斷循環(huán),最后孔洞內(nèi)氧化物呈現(xiàn)出層狀構(gòu)。
【學位單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TG132.3;V252
【部分圖文】：

一步提高近 400oC[10]，但是當前推重比為 10 級的發(fā)動機渦輪進口總溫度大約在1580oC~1680oC，未來推重比 20 級的發(fā)動機渦輪進口總溫度大約在 2130oC[11]，目前通過使用高溫合金制備技術(shù)以及發(fā)動機冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)達到單晶高溫合金的耐熱極限，無法滿足航空航天技術(shù)的發(fā)展需求，而熱障涂層的使用可以進一步提高渦輪葉片的使用溫度達 150oC，因此熱障涂層(TBCs)技術(shù)是應(yīng)對推重比發(fā)展要求最好的手段[12]。渦輪發(fā)動機在服役過程中會受到高溫腐蝕、熱機疲勞、化學腐蝕和沖蝕等多種復雜載荷的共同作用，因此發(fā)動機構(gòu)件必須具有優(yōu)良的抗高溫熱疲勞，耐高溫氧化腐蝕和優(yōu)良的力學穩(wěn)定等性能，從圖 1-1 可以看出。僅僅依靠傳統(tǒng)高溫合金本身難以滿足穩(wěn)定性和對溫度的要求，高溫防護涂層為提高航空發(fā)動機的性能提供了一個新的思路。新陶瓷材料1600

層技術(shù)方面的研究成果也十分顯著[14]。1.2.2 熱障涂層的結(jié)構(gòu)與材料熱障涂層主要有三種結(jié)構(gòu)，雙層，梯度和多層結(jié)構(gòu)[4, 15]，如圖 1-2 所示。雙層結(jié)構(gòu)是由隔熱性良好的耐高溫，耐腐蝕的陶瓷層和改善表層陶瓷層和金屬基底結(jié)合性能的金屬粘結(jié)層組成，最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層材料是ZrO2-CaO/NiCr 涂層[10, 14]，制備雙層結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)要求低，耐高溫能力強，但是高溫環(huán)境下陶瓷層與粘結(jié)層之間熱膨脹系數(shù)差異較大，容易造成較大熱應(yīng)力，導致使用過程中陶瓷層的開裂失效，因此抗熱震是這類涂層急需改善的性能[16]。與雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層相比，功能梯度涂層的高溫合金成分和表面陶瓷層成分從金屬基底到表面陶瓷涂層是連續(xù)變化的，TBCs 的截面顯微結(jié)構(gòu)沒有明顯分層現(xiàn)象。不同成分梯度分布可以保證從面層到合金基底的熱膨脹系數(shù)連續(xù)分布，提高 TBCs 的抗熱沖擊性能，因此制備方面需要使用多種制備技術(shù)如化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)和低壓等離子噴涂(LPPS)等，制備成本較高限制了該技術(shù)的實際應(yīng)用[10, 13, 16-18]。防腐蝕層

一般在晶界析出。當 Y 元素在晶可以細化氧化物晶粒，Y 可以減弱 S 在合的結(jié)合性[12]，但是研究表明過量加入稀土層抗氧化性能。rAlY 粘結(jié)層的改性研究表明：在粘結(jié)層表表面滲鋁使涂層在氧化早期快速生成保護；調(diào)整粘結(jié)層成分，提高外層 Al 含量，降性和抗熱疲勞性；向 MCrAlY 粘結(jié)層中加了涂層的抗熱疲勞和抗氧化能力。MCrAlY用溫度更高時會引起氧化膜加速增厚和早機服役溫度，需要尋找適用于更高溫度的熱
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1 張東博;宋冠禹;薛志勇;賈龍;徐鋼;;采用EB-PVD技術(shù)在TiAl基體上沉積NiAlHf涂層的研究(英文)[J];稀有金屬材料與工程;2014年11期

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本文編號：2892689