预处理改善纳米热障涂层性能研究

论文摘要

本文采用磁控溅射-电泳沉积复合技术在GH3128高温合金基底表面制备双层结构NiCoCrAlY/YSZ纳米热障涂层。研究了磁控溅射NiCoCrAlY粘结层在大气环境和低真空环境下不同温度（500℃、700℃、900℃、1100℃）预氧化热处理对热障涂层高温氧化和热腐蚀寿命的影响。重点考察了预氧化热处理40min后所形成的氧化膜相组成、组织形貌、显微硬度、弹性模量状况，以及氧化膜组织和力学性能差异对热障涂层高温氧化、热腐蚀寿命影响等。结果表明基底和磁控溅射粘结层的相组成为γ-Ni，组织均匀、致密，电泳沉积陶瓷层相组成为t型ZrO2，组织存在少量微米级孔洞。粘结层在大气环境下不同温度预氧化热处理后，表面所形成的氧化膜相组成为-Al2O3, Cr2O3, NiO和（Co,Ni）（Al,Cr）2O4，不同温度下形成的氧化膜最表层形貌存在一定区别。氧化膜的分布有一定的层次性，先形成的致密氧化物排列在粘结层次表层，后形成的氧化物排列在粘结层最外层。受分布层次影响，氧化膜显微硬度和弹性模量随着压痕深度变化呈现出先增大后减小趋势。在热障涂层高温氧化、热腐蚀性能方面，预氧化热处理后的热障涂层的氧化质量增重降低，抗热腐蚀寿命延长。粘结层在低真空环境下不同温度预氧化热处理后，表面形成的氧化膜相组成为-Al2O3和NiCr2O4，受氧气浓度限制，热处理后主要的氧化物为-Al2O3。但各种温度下制备的氧化膜表面组织并不一致，其中900℃热处理氧化膜最为致密、均匀，其余温度形成氧化膜的最表层较疏松。受分布影响，均匀氧化膜显微硬度随压痕载荷基本不变，而非均匀氧化膜显微硬度随压痕载荷增大呈现较大幅度变化。不同气压环境相比，低真空预氧化热处理更能改善热障涂层的高温氧化和热腐蚀性能。尤其是在900℃温度下预氧化热处理，效果最为显著。其主要原因与氧化膜均匀性相关，受氧气浓度限制，低真空下氧化膜相组成主要为-Al2O3。致密的-Al2O3既可以避免出现新旧氧化物热膨胀系数不匹配缺陷又可以降低粘结层和陶瓷层间氧分压值，从而更好地延缓热障涂层服役寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的来源、背景和意义
• 1.2 热障涂层系统结构
• 1.3 热障涂层材料
• 1.4 热障涂层（TBC）制备工艺
• 1.4.1 等离子喷涂
• 1.4.2 电子束物理气相沉积
• 1.4.3 磁控溅射
• 1.4.4 电泳沉积
• 1.5 热障涂层（TBC）失效因素
• 1.6 改善热障涂层（TBC）性能途径
• 1.6.1 金属粘结层预处理法
• 1.6.2 激光重熔法
• 1.6.3 制备纳米级热障涂层
• 1.6.4 陶瓷层预处理
• 1.7 本课题研究的主要内容
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验设计及方法
• 2.4 试样制备
• 2.5 组织结构分析及性能测试
• 2.5.1 涂层微观组织结构和成分分析
• 2.5.2 涂层性能测试
• 第三章 粘结层大气环境预氧化热处理对热障涂层性能影响
• 3.1 磁控溅射-电泳沉积复合技术制备NiCoCrAlY/YSZ组织与结构
• 3.1.1 磁控溅射NiCoCrAlY粘结层组织结构
• 3.1.2 电泳沉积/真空热处理技术制备YSZ陶瓷层组织结构
• 3.2 NiCoCrAlY热处理形成氧化膜的组织与力学性能
• 3.2.1 氧化膜组织
• 3.2.2 氧化膜力学性能
• 3.2.3 粘结层热处理过程中氧化反应机制
• 3.3 氧化膜/热障涂层高温氧化及热腐蚀行为
• 3.3.1 氧化膜高温氧化行为
• 3.3.2 热障涂层高温氧化/腐蚀行为
• 3.3.3 预氧化热处理对热障涂层高温氧化行为影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 粘结层低真空预氧化热处理对热障涂层性能影响
• 4.1 磁控溅射-电泳沉积复合技术制备NiCoCrAlY/YSZ组织
• 4.2 粘结层低真空热处理形成氧化膜组织和力学性能
• 4.2.1 氧化膜组织
• 4.2.2 氧化膜力学性能
• 4.3 氧化膜/热障涂层高温氧化/腐蚀行为
• 4.3.1 氧化膜高温氧化行为
• 4.3.2 热障涂层高温氧化行为
• 4.3.3 热障涂层高温腐蚀行为
• 4.4 不同氧分压（大气、低真空）条件下热障涂层组织、性能异同
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢