第八章 高溫耐蝕涂層

1、第八章 高溫耐蝕涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層1、NaCl+ S +2/3O2+H2O Na2SO4+HCl 2、S內(nèi)滲（擴(kuò)散內(nèi)滲（擴(kuò)散) 與與Cr 形成形成CrS，葉片表面因，葉片表面因貧貧Cr而形成而形成Ni、Cr混合氧化物，抗氧化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混合氧化物，抗氧化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Al2O3。熱腐蝕（沉積物腐蝕）熱腐蝕（沉積物腐蝕） NaCl來自空氣來自空氣 以及燃油的污染物以及燃油的污染物1.發(fā)動機(jī)熱端部件延長壽命改善性能的途徑 提采用冷卻技術(shù)（可使工件表面溫度最大降低提采用冷卻技術(shù)（可使工件表面溫度最大降低230230） 提提高材料的高溫強(qiáng)度（高材料的高溫強(qiáng)度（W和和Mo%，Cr%

2、） 使用涂層技術(shù)使用涂層技術(shù)熱障涂層熱障涂層，高性能航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)高性能航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù) 熱障涂層技術(shù)、高溫結(jié)構(gòu)材料、高效葉片冷卻技術(shù)熱障涂層技術(shù)、高溫結(jié)構(gòu)材料、高效葉片冷卻技術(shù)第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層有一定的隔熱作用，可以降低基有一定的隔熱作用，可以降低基體合金的表面溫度，接近采用冷體合金的表面溫度，接近采用冷卻技術(shù)的效果而不消耗空氣。卻技術(shù)的效果而不消耗空氣。 2.2.對高溫耐蝕涂層的要求對高溫耐蝕涂層的要求 根據(jù)發(fā)動機(jī)熱端部件的工作環(huán)境，高溫涂層應(yīng)盡可能根據(jù)發(fā)動機(jī)熱端部件的工作環(huán)境，高溫涂層應(yīng)盡可能滿足以下要求：滿足以下要求

3、：第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層（1 1）優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能。）優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能。（2 2）涂層與基體有很好的結(jié)合力。）涂層與基體有很好的結(jié)合力。（3 3）較長的保護(hù)壽命。）較長的保護(hù)壽命。 （4 4）一定的延性。）一定的延性。（5 5）較好的抗磨蝕氧化和磨蝕熱腐蝕性能）較好的抗磨蝕氧化和磨蝕熱腐蝕性能（6 6）涂層薄、均勻、重量輕。）涂層薄、均勻、重量輕。（7 7）工藝簡單、重現(xiàn)性好、成本低。）工藝簡單、重現(xiàn)性好、成本低。3.3.高溫耐蝕涂層的分類高溫耐蝕涂層的分類（1 1）按涂層形成工藝劃分則可分為）按涂層形成工藝劃分則可分為 固滲、熱浸、電鍍、熱噴涂、氣相沉積等。固滲、熱浸

4、、電鍍、熱噴涂、氣相沉積等。（2 2）按涂層）按涂層-基體互擴(kuò)散程度，則可分為基體互擴(kuò)散程度，則可分為 第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層擴(kuò)散涂層擴(kuò)散涂層包覆涂層包覆涂層隔熱涂層隔熱涂層（或稱熱障涂層）（或稱熱障涂層）陶瓷陶瓷+ +中間連接層中間連接層 第四代第四代MCrAlX系系 第三代第三代滲鋁層改型滲鋁層改型Al-Cr，Al-Si，Al-Pt 第二代第二代滲鋁層滲鋁層 第一代第一代4.4.涂層系統(tǒng)原理涂層系統(tǒng)原理4.1 4.1 涂層系統(tǒng)分析涂層系統(tǒng)分析 高溫合金的防護(hù)涂層有五種類型：高溫合金的防護(hù)涂層有五種類型： 1 1、形成致密氧化膜的金屬間化合物、形成致密氧化膜的金屬間化合物 高

5、溫合金鋁化物涂層：高溫合金鋁化物涂層：NiAl和和CoAl Al2O3 富鉻化合物涂層富鉻化合物涂層 Cr2O3 2 2、形成玻璃質(zhì)氧化物層的金屬間化合物、形成玻璃質(zhì)氧化物層的金屬間化合物 難熔合金（鉬、鎢、鈮等）與硅生成的化合物難熔合金（鉬、鎢、鈮等）與硅生成的化合物 Mo、W、Nb + Si MoSi SiO2（使用于較低溫度）（使用于較低溫度） 第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層溫度高于溫度高于900時時轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為CrO3易揮發(fā)。易揮發(fā)。3 3、形成致密氧化膜的合金涂層、形成致密氧化膜的合金涂層 抗氧化的鎳基和鈷基合金為基礎(chǔ)形成致密氧化物抗氧化的鎳基和鈷基合金為基礎(chǔ)形成致密氧化物（

6、NiCr2O4、CoCr2O4），以及），以及MCrAlY合金涂層。合金涂層。4 4、不與周圍介質(zhì)反應(yīng)或者反應(yīng)極慢，形成揮發(fā)性氧化物的貴、不與周圍介質(zhì)反應(yīng)或者反應(yīng)極慢，形成揮發(fā)性氧化物的貴金屬與合金金屬與合金 主要是鉑和鈮，用于防護(hù)難熔金屬材料、鈦合金（機(jī)械隔離）主要是鉑和鈮，用于防護(hù)難熔金屬材料、鈦合金（機(jī)械隔離）5 5、本身起機(jī)械阻擋層作用的穩(wěn)定氧化物、本身起機(jī)械阻擋層作用的穩(wěn)定氧化物 保護(hù)原理：擴(kuò)散離子擴(kuò)散路程最大，易開裂和剝落保護(hù)原理：擴(kuò)散離子擴(kuò)散路程最大，易開裂和剝落第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層高溫合金的防護(hù)涂層有五種類型：高溫合金的防護(hù)涂層有五種類型：4.2 4.2 涂層

7、性能的限制因素涂層性能的限制因素1.1.涂層與基體互反應(yīng)涂層與基體互反應(yīng) 第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層涂層與基體的互擴(kuò)散性能與涂層和基體中元素有密切關(guān)系。以NiAl相鋁化物涂層為例，鎳基合金的NiAl相涂層與基體的交界處將產(chǎn)生CrNi相沉淀，它起到阻礙NiAl相與基體互擴(kuò)散的作用，稱為擴(kuò)散障擴(kuò)散障。 涂層中元素?fù)p失的途徑 涂層涂層/ /介質(zhì)界面：向外介質(zhì)界面：向外擴(kuò)散，生成腐蝕產(chǎn)物。擴(kuò)散，生成腐蝕產(chǎn)物。 涂層涂層/ /基體界面：向合基體界面：向合金內(nèi)擴(kuò)散。金內(nèi)擴(kuò)散。4.2 4.2 涂層性能的限制因素涂層性能的限制因素第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層涂層缺陷產(chǎn)生3 3、氧化膜、涂

8、層和基體力學(xué)性能的差異、氧化膜、涂層和基體力學(xué)性能的差異 基體 涂層 氧化膜 塑性 脆性 強(qiáng)度 熱膨脹系數(shù) 2 2、涂層缺陷、涂層缺陷使用過程中:邊緣裂紋、裂縫、組成變化、界面分離。制備過程中:金屬間夾雜、孔洞、砂粒、內(nèi)部疏松。5.5.高溫涂層的形成機(jī)理高溫涂層的形成機(jī)理5. .1 擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層 第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層 溶質(zhì)金屬粉末溶質(zhì)金屬粉末（Al粉或鋁鐵粉）粉或鋁鐵粉）填充料填充料: :Al2O3（防（防止金屬粉末產(chǎn)生燒止金屬粉末產(chǎn)生燒結(jié)成塊）。結(jié)成塊）。活化劑：一般是活化劑：一般是NH4+的鹵化物。的鹵化物。常用常用NH4Cl，加速被滲元素的，加速

9、被滲元素的擴(kuò)散速度。擴(kuò)散速度。工藝過程：工藝過程： 1. NH4Cl高溫分解出高溫分解出Cl 2. Cl與鋁形成與鋁形成AlCl3和和AlCl 3. 3AlCl AlCl3Al（1 1）向外生長型）向外生長型 在純在純Ni表面滲鋁表面滲鋁特點：特點：1.原始界面對應(yīng)NiAl/Ni界面2.鎳側(cè)產(chǎn)生Kirkendall效應(yīng)留下 的孔洞3.填料顆粒Al2O3會鑲嵌到NiAl 相中第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層 Ni基合金表面滲鋁基合金表面滲鋁第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層外層：外層：來自滲劑的來自滲劑的Al與與來自基體的來自基體的Ni，在高溫，在高溫下形成下形成NiAl相，相，即即N

10、i+Al- NiAl內(nèi)層：內(nèi)層：基體中基體中Ni向外擴(kuò)散，向外擴(kuò)散，造成造成Al濃度升高同時導(dǎo)致濃度升高同時導(dǎo)致Ni濃度下降，而形成富濃度下降，而形成富Ni的的NiAl相。相。 鎳基合金向外生長型涂層結(jié)構(gòu)示意圖鎳基合金向外生長型涂層結(jié)構(gòu)示意圖5.15.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層外層：外層：Ni+AlNiAlNi來源于合金，來源于合金，Al來源于滲劑，來源于滲劑，形成富形成富Al的的NiAl。內(nèi)層：內(nèi)層：Ni NiAl(富鎳富鎳)沉淀沉淀第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層特點：特點： 1.原始界面位于滲層中間原始界面位于滲層中間 2.不易形成不易形成Kirkendall孔洞孔洞

11、3.填料顆粒填料顆粒Al2O3只鑲嵌在外層只鑲嵌在外層（2 2）向內(nèi)生長型（鎳基合金表面）向內(nèi)生長型（鎳基合金表面）第一階段：第一階段： 3Ni+6Al- Ni2Al3+-NiAl35.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層第二階段：第二階段：- Ni2Al3 +Ni 3- NiAl（2 2）向內(nèi)生長型）向內(nèi)生長型5.15.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層（3）鋁化物涂層的相變失效）鋁化物涂層的相變失效 在高溫氧化性介質(zhì)中，涂在高溫氧化性介質(zhì)中，涂/介界面上將發(fā)生以下變化介界面上將發(fā)生以下變化 1、- NiAl（

12、富（富Al）- NiAl（富（富Ni） 2、3- NiAl（富（富Ni）3/2O2- Ni3Al+ Al2O3 Al2O3的生成不斷剝落，導(dǎo)致涂層中的生成不斷剝落，導(dǎo)致涂層中Al的濃度急劇下降，的濃度急劇下降，導(dǎo)致導(dǎo)致NiOAl2O3型氧化物產(chǎn)生，即型氧化物產(chǎn)生，即 3、2Ni3Al 2O2 NiOAl2O36Ni（富（富Al）5.15.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層（3）鋁化物涂層的相變失效）鋁化物涂層的相變失效 在涂在涂/介質(zhì)界面上，鋁化物涂層的失效本質(zhì)：介質(zhì)界面上，鋁化物涂層的失效本質(zhì)： 形成過程可以歸納為：形成過程可以歸納為： - NiAl

13、（富（富Al）-NiAl（富（富Ni）-Ni3Al-Ni（富（富Al） 5.15.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層（3）鋁化物涂層的相變失效 在涂/基界面上，靠近涂層一側(cè)將產(chǎn)生以下轉(zhuǎn)變 - NiAl2Ni- Ni3Al Ni在長時間高溫的條件下，不斷向外擴(kuò)散，即導(dǎo)致- Ni3Al向-Ni（富Al）轉(zhuǎn)變 -Ni3Al Ni4-Ni（富（富Al） 在涂/基界面靠基體一側(cè)，在高溫、長時間的條件下，原來形成的碳化物由于該區(qū)域中鋁濃度的降低而逐漸球化以至最終溶解，造成涂層失效。5.15.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂

14、層（4 4）鋁化物涂層失效的控制）鋁化物涂層失效的控制 在涂層中盡可能多的儲備形成保護(hù)性氧化膜的元素， 以延長失效的時間。 提高涂/介界面上的穩(wěn)定性，即提高保護(hù)性氧化膜的 結(jié)合力。 提高涂/基界面上的穩(wěn)定性。主要是在涂層中設(shè)置“擴(kuò)散障擴(kuò)散障”，阻止或減少涂層與基體間元素的擴(kuò)散。5.15.1擴(kuò)散型涂層擴(kuò)散型涂層滲鋁涂層滲鋁涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層 在滲Al的填料中，加入其它元素如Cr、Si、Mn等元素，可以改善滲Al涂層的抗剝落性。 減緩?fù)繉?基體的互擴(kuò)散程度，降低NiAl相脆/塑轉(zhuǎn)變溫度，即多元滲鋁化物涂層。 常見的有：AlSi，AlCr，AlMn等。 5.15.1擴(kuò)散型涂層

15、擴(kuò)散型涂層多元滲鋁化物涂層多元滲鋁化物涂層第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層特點：特點： 涂層成分與結(jié)構(gòu)：與基體無關(guān)，一般由兩相組成，涂層成分與結(jié)構(gòu)：與基體無關(guān)，一般由兩相組成， (CoAl 、NiAl) 相相 （Co、Ni固溶體）相固溶體）相 涂層工藝：涂層工藝： 物理氣相沉積或等離子噴涂物理氣相沉積或等離子噴涂第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層5.2 5.2 覆蓋型涂層覆蓋型涂層MCrAlX系系 MCrAlX系系工藝方法工藝方法：先利用電泳或電鍍方法在零件表面沉積涂層，然后在高溫下進(jìn)行擴(kuò)散處理。特點：工藝簡單，成本低。第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層5.3 5.3 覆蓋、擴(kuò)散

16、混合型涂層覆蓋、擴(kuò)散混合型涂層 利用激光重熔等技術(shù)使合金表面形成微晶層，可以加速被氧化元素沿晶界向外擴(kuò)散，促使選擇性保護(hù)氧化膜在被氧化元素含量較低情況下就可形成。特點：特點： 不改變合金表面成分，僅改變合金的表面結(jié)構(gòu)，使合金抗高溫腐蝕性能得到提高。第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層 5.4 5.4 表面結(jié)構(gòu)改性涂層表面結(jié)構(gòu)改性涂層 熱障涂層是在MCrAlY涂層上，再用等離子噴涂方法沉積一層300m2mm的氧化物層。氧化物層一般是以ZrO2為基體，在其中加入一些Y2O3、MgO或CaO提高其穩(wěn)定性。 失效方法：失效方法：MCrAlY涂層與氧化物界面上靠近氧化層的近表面，易于產(chǎn)生疲勞開裂。第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層 5.4 5.4 熱障涂層熱障涂層 具有隔熱效果具有隔熱效果（100-300 ） NiCrAlSiY/YSZ （ZrO2 +Y2O3）熱障涂層高溫氧化熱障涂層高溫氧化第八章第八章 高溫耐蝕涂層高溫耐蝕涂層（a a）原始態(tài)）原始態(tài)