新型高溫合金K447A表面抗高溫氧化滲AlSi涂層
2016-02-02 09:48:38
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1、引言
應(yīng)用于航空發(fā)動機渦輪葉片的高溫合金材料需承受嚴(yán)酷的服役環(huán)境,為了提高材料的使用壽命,使用時通常采用高溫防護涂層技術(shù)。目前,鋁化物涂層廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機渦輪葉片,該類涂層包括簡單型鋁化物涂層和改進(jìn)型鋁化物涂層兩類。改進(jìn)型鋁化物涂層是在簡單鋁化物涂層中加入少量Si、Cr或貴金屬Pt等元素,以提高涂層的高溫防護性能。

鋁化物涂層渦輪葉片
K447A鎳基高溫合金為近年來國內(nèi)自主研發(fā)的航空發(fā)動機葉片用材料,已用于制造某型國產(chǎn)APU高壓渦輪導(dǎo)向葉片,同時該材料也可用于制造工業(yè)重型燃?xì)廨啓C渦輪葉片。本文利用滲AlSi涂層提高K447A鎳基高溫合金表面的抗高溫氧化性能,各項涂層表面形貌和性能試驗結(jié)果表明涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能,為K447A材料的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
2、氧化動力學(xué)及抗氧化性能分析
AlSi涂層試樣400h的氧化動力學(xué)曲線,總體符合拋物線規(guī)律。試樣氧化進(jìn)程總體可以分為三個階段:
第一階段(0~100h)為氧化初始階段,表面開始形成Al2O3氧化膜,氧化速率較高;
第二階段(100h~200h)為氧化穩(wěn)定階段,連續(xù)致密的α-Al2O3氧化膜完全形成,有效阻礙了外界的氧通過氧化膜向基體擴散;
第三階段(200h~400h)氧化速率重新出現(xiàn)增長趨勢,這是由于涂層在高溫環(huán)境下,隨著保溫時間的延長,表面氧化膜逐漸增厚,涂層生長應(yīng)力增加,導(dǎo)致涂層局部產(chǎn)生微裂紋甚至脫落,內(nèi)層的Al持續(xù)擴散至表面形成新的Al2O3氧化膜。根據(jù)HB5258-2000標(biāo)準(zhǔn),K447A合金滲AlSi涂層后在1050℃下恒溫氧化400h,其氧化速度為0.086g/(m2?h),屬于完全抗氧化級。
由元素面分布可知,涂層中的Si元素主要在內(nèi)層富集,AlSi涂層中的Si明顯向內(nèi)擴散而在內(nèi)層形成峰值,即硅富集在內(nèi)層的碳化物中,它們對涂層元素和基體元素之間的互擴散起一定的阻礙作用,這種阻礙作用有利于延長涂層的使用壽命。據(jù)研究結(jié)果[7]認(rèn)為,AlSi涂層中Si通過與W、Mo元素結(jié)合成第二相,能夠起到使W、Mo固結(jié)在涂層內(nèi)層的作用。因此,內(nèi)層保持足夠高的硅含量可以使涂層獲得更佳的抗氧化性能。
3、 結(jié)論
1)采用無機鹽料漿法在K447A合金表面制備的AlSi涂層厚度均勻,組織結(jié)構(gòu)致密,為典型的低活性滲鋁組織;外層富Si,有利于提高涂層的抗高溫氧化性能。
2)K447A合金表面制備的AlSi涂層經(jīng)1050℃、400h高溫氧化,其氧化動力學(xué)曲線遵循拋物線規(guī)律,氧化級別屬于完全抗氧化級。
3)K447A合金表面制備的AlSi涂層經(jīng)1050℃、400h高溫氧化后改變了Si在涂層中的存在形式和分布狀態(tài),在內(nèi)層形成了大量硅化物屏障層,有利于提高涂層的抗高溫氧化性能。
4)K447A合金表面制備的AlSi涂層經(jīng)1050℃、400h高溫氧化后在涂層與基體界面形成了針狀相。這些針狀相在合金發(fā)生蠕變位錯移動時,易在針狀相的邊緣產(chǎn)生位錯空穴,形成蠕變裂紋的起源。
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