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超超临界汽轮机叶片（Ti，Al）N/TiN涂层结构与抗氧化性能研究

2020-12-15阅读(739)

超超临界汽轮机叶片（Ti，Al）N/TiN涂层结构与抗氧化性能研究

论文摘要

超超临界汽轮机技术的不断发展对其叶片工作温度提出了越来越高的要求,为提高叶片服役稳定性和延长其使用寿命,采用脉冲偏压电弧离子镀低温沉积技术在超超汽轮机叶片用钢1Cr11MoNiWlVNbN上制备了（Ti,Al）N/TiN涂层。参考标准GB/T13303-91和HB 5258-2000并根据超超临界汽轮机叶片实际工况与性能要求对（Ti,Al）N/TiN涂层实施了700℃×1000h的恒温氧化试验和700℃×200次的循环氧化试验。采用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）及显微硬度仪等方法研究了（Ti,Al）N/TiN涂层的组织结构及其力学性能,并着重对其抗氧化性能及其氧化机制进行了深入的分析和研究,为（Ti,Al）N/TiN涂层应用于超超临界汽轮机叶片的防护提供了一定的理论储备和技术支持。所制备的（Ti,Al）N/TiN涂层由TiN过渡层和（Ti0.7Al0.3）N表层组成,涂层整体厚度约4μm,其中TiN过渡层厚度为1μm。涂层为B1型（NaCl）单相结构,具有（220）择优取向。涂层表面光滑均匀致密,厚度均匀,与基体结合界面结合良好。TiN过渡层的设计有效减少了（Ti,Al）N涂层与基体之间的应力集中,提高了涂层和基体的界面结合强度。涂层具有高达Hv2829.8的显微硬度,表明涂层具有良好的抗固体颗粒冲蚀性能。高温氧化的试验数据表明,经700℃下氧化1000小时后,（Ti,Al）N/TiN表面生成一层致密的以金红石型Ti02和A1203为主的保护性氧化膜,氧化期间涂层厚度无明显变化,涂层为完全抗氧化级别。涂层制备过程中生成的熔滴对涂层的抗氧化性能并未产生显著影响。随着高温氧化的进行,涂层相结构与硬度均未发生显著改变,涂层的氧化层一直处于压应力状态,有利于增强结合力。热疲劳循环氧化试验结果显示,涂层热疲劳性能优异,没有发生裂纹剥落等现象。研究结果表明,（Ti,Al）N/TiN涂层具有良好的综合性能,能够满足超超临界汽轮机叶片的实际工程防护需求。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究目的、内容及意义
  • 1.2 超超临界汽轮机简介
  • 1.2.1 汽轮机发展概况
  • 1.2.2 超超临界汽轮机的发展
  • 1.3 汽轮机叶片防护涂层简介
  • 1.3.1 叶片防护技术进展
  • 1.3.2 （Ti,Al）N涂层的特点
  • 1.3.3 （Ti,Al）N涂层的发展
  • 第2章 （Ti,Al）N/TiN涂层制备及研究方法
  • 2.1 （Ti,Al）N涂层的制备方法
  • 2.2 试验材料及涂层的制备
  • 2.2.1 基体材料
  • 2.2.2 涂层的设计
  • 2.2.3 涂层的工艺
  • 2.2.4 涂层的制备
  • 2.3 高温氧化试验
  • 2.3.1 恒温氧化试验
  • 2.3.2 循环氧化试验
  • 2.4 测试分析
  • 2.4.1 结构与性能测试
  • 2.4.2 抗高温氧化性能测试
  • 2.5 试验所用仪器设备
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 （Ti,Al）N/TiN涂层的结构与性能
  • 3.1 涂层的组织成分分析
  • 3.2 涂层的晶体结构分析
  • 3.3 涂层内应力分析
  • 3.3.1 本征应力分析
  • 3.3.2 热应力分析
  • 3.4 涂层的硬度
  • 3.4.1 膜层材料硬度的测试方法
  • 3.4.2 涂层的复合硬度
  • 3.4.3 涂层的本征硬度
  • 3.5 涂层的结合强度
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 （Ti,Al）N/TiN涂层抗高温氧化性能研究
  • 4.1 高温氧化理论概述
  • 4.1.1 高温氧化热力学
  • 4.1.2 高温氧化动力学
  • 4.1.3 氧化膜的完整性
  • 4.2 （Ti,Al）N/TiN涂层氧化动力学分析
  • 4.2.1 氧化增重数据处理
  • 4.2.2 抗高温氧化性能评定
  • 4.2.3 氧化动力学分析
  • 4.3 涂层氧化后形貌特征
  • 4.3.1 涂层高温氧化表面宏观形貌变化
  • 4.3.2 涂层高温氧化表面微观形貌变化
  • 4.3.3 涂层高温氧化截面形貌变化
  • 4.4 涂层氧化机制的分析与讨论
  • 4.4.1 （Ti,Al）N/TiN涂层的氧化机制
  • 4.4.2 熔滴对涂层抗氧化性能的影响
  • 4.5 高温氧化对涂层结构与性能的影响
  • 4.5.1 涂层物相结构的变化
  • 4.5.2 涂层氧化后的力学状态
  • 4.5.3 涂层硬度的变化
  • 4.6 涂层抗循环氧化性能分析
  • 4.7 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读说硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

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