GH3128合金纳米复合热障涂层研究

论文摘要

本文对典型的双层纳米复合热障涂层的制备工艺、组织结构、耐高温性能进行研究,以GH3128高温合金为基体,采用两种技术制备热障涂层系统：1)溅射-电泳复合技术,即先采用磁控溅射法制备金属粘结层,再以电泳法沉积陶瓷层,经高真空热处理后得到完备的热障涂层系统；2)电泳-电泳复合技术,即采用电泳法先沉积金属粘结层,高真空热处理后再沉积陶瓷层,再热处理后得到完备的热障涂层系统。采用磁控溅射法可得到均匀致密的纳米晶NiCoCrAlY金属粘结层,主要物相为y-Ni固溶体。NiCoCrAlY粘结层在高温氧化环境中能有效保护基体；基体表面粗糙度越低,粘结层表面粗糙度越小,与基体的结合力越强,抗高温氧化性能更优。采用溅射-电泳复合技术可得到组织结构较理想的NiCoCrAlY/YSZ热障涂层,陶瓷层致密均匀,为稳定的四方晶相。陶瓷层制备工艺参数如外加电压、沉积时间、悬浮液固含量、添加剂含量和热处理温度等以及粘结层的溅射时间和溅射压强等都对试样的耐高温性能有重要影响。陶瓷层电泳沉积工艺可成功实施纳米La2O3、CeO2、 Nd2O3共掺杂,涂层内部形成少量钙钛矿型氧化物（La,Nd）2（Zr,Ce）2O7,能有效提高NiCoCrAlY/YSZ热障涂层的耐高温性能。采用电泳沉积法也可得到NiCoCrAlY金属粘结层,主要物相为y-Ni固溶体和γ’-Ni3Al化合物,另有极少量的α-Al203,涂层与基体结合良好,能有效发挥对高温合金的保护作用。但热处理加热条件下基体中的Ti元素易扩散至涂层表面,会导致涂层的抗高温氧化性能恶化。在采用电泳-电泳复合技术制备NiCoCrAlY/YSZ热障涂层系统时,粘结层的电泳工艺参数如外加电压、沉积时间和悬浮液固含量等均对热障涂层系统的耐高温性能产生重要影响。纳米Sm2O3、Yb2O3共掺杂的YSZ陶瓷层表面致密均匀,可避免未掺杂YSZ陶瓷层表面存在少量显微裂缝的问题,有效地提高热障涂层的耐高温性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1. 课题背景及意义
• 1.2 高温合金材料概述
• 1.2.1 镍基高温合金
• 1.2.2 其它高温合金
• 1.3 热障涂层系统材料
• 1.3.1 陶瓷热障层材料
• 1.3.1.1 以氧化锆为基的热障陶瓷材料
• 3+₂B⁴⁺₂O₇焦绿石结构陶瓷为基的热障材料'>1.3.1.2 以A³⁺₂B⁴⁺₂O₇焦绿石结构陶瓷为基的热障材料
• 1.3.1.3 其它热障陶瓷材料
• 1.3.2 金属粘结层材料
• 1.4 热障涂层系统结构设计
• 1.4.1 双层系统设计
• 1.4.2 多层系统设计
• 1.4.3 梯度涂层系统设计
• 1.5 涂层系统失效机制
• 2相变'>1.5.1 ZrO₂相变
• 1.5.2 腐蚀介质的渗入
• 1.5.3 热生长氧化层（TGO）的形成
• 1.5.4 涂层系统的热应力和裂纹
• 1.6 热障涂层制备工艺技术研究
• 1.6.1 电子束物理气相沉积（EB-PVD）
• 1.6.2 等离子喷涂（PS）
• 1.6.3 液相等离子喷涂（SPPS）
• 1.6.4 超音速火焰喷涂（HVOF）
• 1.6.5 磁控溅射（MS）
• 1.6.6 电泳沉积（EPD）
• 1.7 本课题的主要研究内容
• 第二章 溅射-电泳复合技术制备热障涂层
• 2.1 实验材料及方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设计和方法
• 2.1.3 试样制备
• 2.1.4 微观分析和性能测试
• 2.1.4.1 涂层微观组织结构和成分分析
• 2.1.4.2 涂层性能测试
• 2.2 溅射-电泳复合技术制备热障涂层的组织结构
• 2.2.1 溅射NiCoCrAlY粘结层的组织结构
• 2.2.2 溅射-电泳复合技术制备NiCoCrAlY/YSZ热障涂层的组织结构
• 2.2.3 溅射-电泳复合技术制备纳米稀土掺杂热障涂层的组织结构
• 2.3 溅射-电泳复合技术制备热障涂层的高温性能
• 2.3.1 溅射NiCoCrAlY粘结层的抗高温静态氧化性能与高温合金基体之比较
• 2.3.2 基体表面粗糙度对溅射粘结层结合力和抗高温循环氧化性能的影响
• 2.3.3 陶瓷层电泳工艺对NiCoCrAlY/YSZ热障涂层耐高温性能的影响
• 2.3.3.1 正交试验结果
• 2.3.3.2 正交试验极差分析
• 2.3.3.3 正交试验方差分析
• 2.3.3.4 影响机制分析
• 2.3.4 粘结层溅射工艺对NiCoCrAlY/YSZ热障涂层耐高温性能的影响
• 2.3.4.1 双因素试验结果
• 2.3.4.2 双因素试验方差分析
• 2.3.4.3 影响机制分析
• 2.3.5 纳米稀土掺杂对溅射-电泳复合技术制备热障涂层高温性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 电泳-电泳复合技术制备热障涂层
• 3.1 实验材料及方法
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验设计和方法
• 3.1.3 试样制备
• 3.1.4 微观分析和性能测试
• 3.2 电泳-电泳复合技术制备热障涂层的组织结构
• 3.2.1 电泳沉积NiCoCrAlY粘结层的组织结构
• 3.2.2 电泳-电泳复合技术制备NiCoCrAlY/YSZ热障涂层的组织结构
• 3.2.3 电泳-电泳复合技术制备纳米稀土掺杂热障涂层的组织结构
• 3.3 电泳-电泳复合技术制备热障涂层的高温性能
• 3.3.1 电泳沉积NiCoCrAlY粘结层的抗高温静态氧化性能
• 3.3.2 粘结层电泳工艺对NiCoCrAlY/YSZ热障涂层高温性能的影响
• 3.3.2.1 正交试验结果
• 3.3.2.2 正交试验极差分析
• 3.3.2.3 正交试验方差分析
• 3.3.2.4 影响机制分析
• 3.3.3 纳米稀土掺杂对电泳-电泳复合技术制备热障涂层高温性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 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