添加活性元素Y对溅射K38纳米晶涂层高温腐蚀行为的作用机制

论文摘要

镍基K38高温合金是用于制造燃气轮机中的叶片材料,溅射与基体相同成分的纳米晶涂层在高温氧化中表现出优良的性能,同时添加微量活性元素也可以起到提高合金抗高温氧化和腐蚀的作用。本文在K38铸造合金和磁控溅射K38纳米晶涂层中分别加入不同含量（0.05,0.1,0.5wt.%）活性元素Y,通过TGA,SEM/EDS,XRD,EPMA等手段研究了K38高温合金及涂层的800-1000°C恒温氧化及900°C和1000°C循环氧化行为、900°C熔融硫酸盐及含氯化钠熔盐热腐蚀行为,并讨论了纳米体系与活性元素Y协同作用的腐蚀防护机理。添加活性元素Y可促进Al的选择性氧化,减少或抑制内氧化,提高氧化膜的粘附性。随着Y添加量的增加,合金氧化膜Al 2 O3体积分数增加。添加0.1 wt.% Y可有效抑制内氧化,使内氧化物Al2O3发展成连续的外氧化物。但当Y含量达0.5wt.%时,合金中析出富Y相,形成局部瘤状氧化物。纳米晶涂层可形成α-Al2 O3为主的连续氧化膜。不含Y的涂层表面有TiO2氧化物突起,并有局部内氧化。添加0.05%和0.1%Y的涂层不形成表面TiO2和内氧化物,氧化速率降低,氧化膜粘附性提高,涂层使用寿命延长。但当Y含量达到0.5 wt.%时,表面有TiO2生成,氧化速率显著增加,循环氧化性能变差。在900°C熔融硫酸盐中,含Y合金能形成连续的内层氧化铝膜,降低了腐蚀速率,阻碍了内硫化物的形成。无Y涂层表面能形成连续的氧化铝外层膜,显著提高了高温腐蚀抗力。涂层中添加活性元素Y进一步提高了表面氧化铝膜的保护性。添加0.5wt.%Y的涂层比低Y含量涂层性能更佳,在熔融硫酸盐中腐蚀200小时后其表面氧化铝膜仍具有良好的保护性。在900°C涂盐（75% Na 2 SO4+25% NaCl）条件下,0Y,0.05 wt.%Y和0.1 wt.%Y涂层遭受了严重氯化-氧化,腐蚀60小时后表面氧化膜发生大量剥落。0.5wt.% Y纳米晶涂层在腐蚀120小时后,表面富Al氧化膜依然完整、致密,具有良好的保护性。这可能是因Y的氯化反应阻碍了氧化膜/盐膜界面的其它合金组元氯化物的形成,减少了涂层中有益组元的消耗,提高了表面氧化铝膜的化学稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高温腐蚀
• 1.2 高温防护涂层
• 1.2.1 热扩散涂层
• 1.2.2 包覆涂层
• 1.3 晶粒尺寸对合金氧化腐蚀性能的影响
• 1.3.1 晶粒尺寸对合金氧化性能的影响
• 1.3.2 晶粒尺寸对合金腐蚀性能的影响
• 1.4 稀土元素对高温合金氧化腐蚀性能的影响
• 1.4.1 RE效应
• 1.4.2 稀土在合金中的存在形式和添加手段
• 1.4.3 稀土元素作用模型
• 1.4.4 稀土在高温合金及其防护涂层中的应用
• 1.4.5 稀土元素对合金抗腐蚀性能的影响
• 1.5 高温氧化与热腐蚀基本理论
• 1.5.1 金属氧化
• 1.5.2 合金的氧化
• 1.5.3 热腐蚀
• 1.6 论文研究的目的和内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 样品制备
• 2.2 高温氧化
• 2.3 熔盐腐蚀
• 2.4 电镜样品制备
• 2.5 氧化物产物分析
• 2.6 仪器设备
• 第三章 活性元素Y对K38 铸造合金高温氧化行为的影响
• 3.1 添加活性元素Y的K38 铸造合金的恒温氧化性能
• 3.1.1 实验结果
• 3.1.2 讨论
• 3.1.3 小结
• 3.2 添加活性元素Y的K38 铸造合金的循环氧化性能
• 3.2.1 实验结果
• 3.2.2 讨论
• 3.2.3 小结
• 3.3 本章小结
• 第四章 活性元素Y对K38 溅射纳米晶涂层氧化行为的影响
• 4.1 添加活性元素Y的K38 纳米晶涂层的恒温氧化行为
• 4.1.1 添加活性元素Y的K38 纳米晶涂层在1000℃的恒温氧化行为
• 4.1.2 添加活性元素Y的K38 纳米晶涂层在800、900℃的恒温氧化行为
• 4.2 添加活性元素Y的溅射K38 纳米晶涂层循环氧化行为
• 4.2.1 实验结果
• 4.2.2 讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 添加活性元素Y的K38 纳米晶涂层在1000℃的长时间恒温氧化
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章小结
• 第五章 不同Y含量K38合金及其溅射纳米晶涂层在熔融硫酸盐中的高温腐蚀行为
• 5.1 铸造合金的熔融硫酸盐腐蚀行为
• 5.1.1 实验结果
• 5.2 溅射纳米晶涂层的熔融硫酸盐腐蚀行为
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 溅射K38 纳米晶涂层在含氯熔盐中的热腐蚀行为
• 6.1 实验结果
• 6.1.1 涂盐腐蚀
• 6.2 讨论
• 6.3 小结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢