提高Al在TBCs过渡层中扩散速率对TBC使用寿命影响的研究

论文摘要

本文主要通过理论分析,并利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子探针、X射线衍射分析（XRD）等辅助手段,研究了高温氧化（1100℃）过程中以提高Al在BC层内的扩散速率,来提高涂层使用寿命的影响。研究结果表明: APS喷涂热障涂层在高温氧化过程中主要分成三个阶段来进行:氧化初期BC-TBC两层之间还没有形成连续的α-Al2O3薄膜,氧化速度快,增重情况明显,氧化动力学规律基本符合直线规律。随着氧化反应的进行,连续α-Al2O3薄膜很快形成,高温氧化反应进入了稳定氧化阶段,此阶段高温氧化的过程主要是Al为主的选择性氧化,氧化速度很缓慢,基本符合抛物线规律。随着BC层中Al元素的大量消耗,最终会在B-O界面处出现相对贫Al状态,导致选择性氧化结束。接下来的氧化过程中,由于Al的浓度达不到选择性氧化的标准,而致使其它金属元素再次的参与到高温氧化反应中来,甚至性质相当稳定的Ni也被氧化生成NiO,同时尖晶石类氧化物在这一阶段大量增加。高温氧化过程中反应的场所为B-O界面处,而在氧化初期以及最后复杂氧化阶段产生的大量尖晶石类氧化物是直接导致涂层失效的原因之一。通过上述分析可知:提高Al元素在BC层中的扩散速度,能够有利的提供高温氧化过程中金属元素Al的需要,对于提前进入稳定氧化阶段以及延缓B-O界面上贫Al时刻的出现都起到积极的作用。故以此为理论指导引入SSPB工艺,试图通过改善涂层物理性能,而提高BC层内Al元素在高温氧化过程中的扩散速率,以期快速进入稳定氧化阶段的同时能够保证选择性氧化的顺利进行,延缓贫Al时刻的到来,抑制大量尖晶石类氧化物的生成,从而达到提高涂层使用寿命的目的。实验结果表明:涂层颗粒的大小在很大程度上影响了BC层Al元素的扩散,同时由于SSPB工艺对涂层表面的改善,确实能够增加Al元素在BC层内的扩散能力。对比实测所得高温氧化动力曲线可知:SSPB工艺的加入,对于氧化过程中提前进入氧化稳定阶段以及延缓最后贫Al时刻的到来都有利,间接的为提高涂层的使用寿命而打下良好基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 热障涂层知识简介
• 1.2.1 热障涂层结构
• 1.2.2 涂层制备工艺简介
• 1.2.3 热障涂层破坏机制
• 1.3 金属高温氧化的理论与应用
• 1.3.1 影响金属氧化性能的因素
• 1.3.2 Wanger 高温氧化理论
• 1.3.3 Mott 氧化薄膜理论
• 1.4 金属元素的扩散现象
• 1.4.1 Fick 扩散定律
• 1.4.2 原子扩散的微观机制
• 1.4.3 扩散类型
• 1.5 固体扩散的再研究
• 1.5.1 克根道尔效应
• 1.5.2 互扩散系数的依存性
• 1.6 本文选题目的及主要研究内容
• 1.6.1 本文选题目的及意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 试验材料与试验方法
• 2.1 材料的选取以及试样的制备
• 2.1.1 材料的选取
• 2.1.2 试片喷涂
• 2.1.3 高温氧化实验
• 2.1.4 试样的制备
• 2.2 涂层显微组织观察及成份分析
• 2.2.1 光学显微镜及 SEM 分析
• 2.2.2 透射电镜显微组织分析
• 2.2.3 XRD 对涂层物相分析
• 2.2.4 涂层成分分析
• 2.3 TGO 厚度及涂层表面硬度测试
• 2.3.1 TGO 厚度的测量
• 2.3.2 涂层表面硬度的测试
• 第三章 等离子喷涂 MCrAlY 涂层高温氧化行为
• 3.1 等离子喷涂MCrAlY 涂层高温氧化过程
• 3.1.1 等离子喷涂MCrAlY 涂层高温氧化过程
• 3.1.2 APS 喷涂MCrAlY 涂层高温氧化过程中伴随现象
• 3.1.3 APS 喷涂MCrAlY 涂层高温氧化过程中的热力学分析
• 3.1.4 APS 喷涂MCrAlY 涂层高温氧化过程中动力学分析
• 3.2 APS 喷涂MCrAlY 涂层高温氧化过程贫Al 现象的分析
• 3.2.1 氧元素在高温氧化反应过程中的扩散
• 3.2.2 高温氧化过程中Al 元素在BC 层中的扩散
• 3.2.3 选择性氧化对于BC 层中Al 元素的扩散的要求
• 3.3 本章结论
• 第四章 SSPB 对涂层高温氧化过程中贫 Al 现象的影响
• 4.1 高温氧化过程中BC 层内Al 的扩散方式
• 4.1.1 自由表面扩散
• 4.1.2 晶界扩散
• 4.1.3 晶内扩散
• 4.2 SSPB 对于 BC 层内 Al 元素扩散的影响
• 4.2.1 SSPB 工艺特点
• 4.2.2 工艺特点对于扩散的影响
• 4.3 高温氧化过程中氧化动力学分析
• 4.3.1 计算所得 APS 氧化动力学曲线
• 4.3.2 工艺特点决定的氧化动力学曲线差异
• 4.3.3 实测氧化动力学曲线
• 4.4 本章结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的论文