高溫防護塗層

點擊量:909 發布時間:2017-01-25 作者:快猫视频APP下载安装(上海)增(zēng)材(cái)製造技術有限公司
根據高(gāo)溫塗層的發展曆史,可(kě)將(jiāng)其分為以下三類:擴(kuò)散塗(tú)層、包覆塗層和熱障塗(tú)層。為了進一步提高渦輪(lún)發動機的工作效率,並達到節能減排的目的,就要(yào)提高發動(dòng)機的進口溫度,因此,科學工作者們不斷致力於研發(fā)更(gèng)先進的材料、塗層體係及製備技術,例如研製出的第四代鎳基單晶高(gāo)溫合金的(de)承溫能力(lì)已達1180℃。相應地,對高溫防護塗層也提出了更高的要求(qiú),湧現出多種(zhǒng)具有(yǒu)獨特設計理念的新型高溫防護塗層。下文將對常用的以及幾種特色高溫防護塗層(céng)進行介紹。
2       常用(yòng)高溫防護塗層
2.1      擴散塗(tú)層
擴散塗層是(shì)經擴(kuò)散滲過(guò)程使一些抗氧化性(xìng)元素進(jìn)入基體表麵(miàn),和(hé)基體元(yuán)素(sù)反應生成金屬間化合物來提高合金(jīn)的抗氧化性能。常見的擴散元素有Al、Cr、Si等。擴散塗層的典型代表是(shì)滲鋁塗層和改性的滲鋁塗層,這些塗層在(zài)氧化時生成Al2O3,對基體有較好的保護作用。
擴(kuò)散鋁化物(wù)塗層最早在 1911 年由 Van Aller 在美國專利中闡述,采用粉末包(bāo)埋(mái)法製備,從20世紀50年代開始應(yīng)用於鈷基(jī)導向葉片,60年代應用於鎳基高溫合(hé)金動片,是工業應用最早且應用範圍最(zuì)廣的高溫防護塗層。
在粉末包埋滲鋁方(fāng)法中(zhōng),樣品埋入滲劑粉末中,滲劑由鋁源(yuán)粉末、鹵化物活化劑和填料組成,鋁源粉末(mò)可以是金屬Al或適合的合金粉,填料通常(cháng)為惰性的Al2O3。滲劑(jì)一般含有2%~5%的活化劑,例如氯化銨(ǎn),25%的鋁源,剩下的為填料。加熱時活化(huà)劑在滲(shèn)劑中揮發,與鋁源反應生成揮發性的塗(tú)層金屬的化合物(wù)。揮發性的物(wù)質向基材表麵擴(kuò)散(sàn),並(bìng)在那裏發生沉積(jī)反應。滲鋁時須通入氬氣等保護性氣體,以免鋁源和金屬基材被氧化。
該方法製備出來的(de)滲層均勻,適用於複雜外形零件的滲鋁。且成本(běn)低,質量穩定但也(yě)存在不少缺(quē)點,例如,耐熱腐蝕性能差,塗層脆性大、退化速度快等,為了改善鋁化物塗(tú)層的性能,減緩其在使用過程中的退化,從(cóng)20世紀70年(nián)代起(qǐ),發展(zhǎn)了眾多改(gǎi)性的鋁化物塗層,例如在鋁化物中加入鉻、矽、鉑和稀土元素等。在塗(tú)層中加入Cr、Si可以顯著提高(gāo)塗層(céng)的抗熱腐蝕(shí)性能,減緩因塗層和基材互擴散引起的退化。在改進型鋁化(huà)物塗層中,Pt-Al塗層的改性效果最明顯。研究表(biǎo)明,Pt改性(xìng)鋁化物塗層(céng)的抗氧化性能是單一鋁化物塗層的2~5倍。Pt提高了Al2O3膜的抗剝落和自愈能力,增加了鋁化(huà)物塗層的組織穩定性,降低了塗層與基體之間的互擴散。
2.2      包覆塗層
包覆(fù)塗層是指利用物理或(huò)化(huà)學手段使塗(tú)層材(cái)料在合金表麵直接(jiē)沉積而形成的塗層(céng)。包覆塗層與擴散塗層的明顯不(bú)同是塗層沉積時(shí)隻與基材發生能夠 提高塗層結合力的(de)相互作用,基材不參與塗層(céng)的形成,因此塗層成分的選擇更具有多樣性。包覆塗(tú)層可以是金屬塗層和陶瓷塗層等,其(qí)中最典(diǎn)型的是MCrAlY包覆塗層。製備這類塗層的技術多樣,包括物理氣相沉積、熱噴(pēn)塗、激光熔覆等。
MCrAlY包覆塗(tú)層於(yú)20世紀70年代發(fā)展(zhǎn)起來,現已發展成一係列的塗層體(tǐ)係,其中M為Fe,Co,Ni或(huò)它(tā)們的組合,Al用來形成保護性的(de)Al2O3膜,Cr用來促進氧化膜的形成,並提高抗熱(rè)腐蝕(shí)能力,Y用來提高氧化膜的附著力,塗層中還可通過添加(jiā)Hf,Si,Ta,Re,Zr,Nb等元素中的一種或多種以滿足(zú)一些特定(dìng)的應(yīng)用需求。下表總結了一些商用MCrAlY塗層的成分及沉積方法(fǎ)。通(tōng)常,沉積的MCrAlY塗層厚度在125~200μm,成本約為傳統鋁化物塗層的2~4倍。
表1 典型商(shāng)用MCrAlY塗層的成分及沉積方法
 
2.3      熱障塗層
圖2所示為(wéi)一種渦輪葉片用熱障塗層的典型結構。熱障塗層(TBCs)是由陶瓷隔熱麵層和金屬粘結層組成的(de)塗層體係。陶瓷塗層導熱性差,可以阻(zǔ)礙熱量向基體內部的傳輸,降低熱端部件的使用溫度。ZrO2由於具有較低的導熱係數、較高的熔點以及優良的力學性(xìng)能是研究最多的熱障塗層成分。但由於ZrO2具有幾種不同的結構,其在溫度變化時(shí)發生相轉變使得塗層承(chéng)受應力,因此需要加入穩定劑,避免箱(xiāng)變。研究發現,8%Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(Y-PSZ)具有高(gāo)熔點(diǎn),高溫穩定性、低(dī)熱導率及與基體(tǐ)材料最(zuì)為(wéi)接近的熱膨脹率而成為陶(táo)瓷(cí)隔(gé)熱(rè)層的首選材料(liào)。但陶瓷和合金基體的熱膨脹係數相差較大,當溫度變化時(shí),塗層內會產生較(jiào)大熱應力且陶(táo)瓷層對基(jī)體的氧化不具備阻擋作用。為改善二者之間(jiān)熱膨脹係數的不匹配同時提(tí)高(gāo)基體的抗氧化性能,在合金基體和陶瓷層之間施加一層金屬粘(zhān)結層,常(cháng)用的金屬粘結層有MCrAlY和Pt改性的鋁化物塗層。
熱障塗層(厚度100~400μm)和合金基體內通道冷卻的使用可以降低(dī)熱端(duān)部件的表麵溫度100~300°C,使得現代燃氣輪機葉片的使(shǐ)用(yòng)溫(wēn)度(dù)提高至高溫合(hé)金基體熔點(~1300°C)之上。目前,TBCs應用(yòng)麵臨(lín)的主要挑戰是塗層的耐久性,尤其是塗層抗剝落的(de)能力。
 
圖2 電子束物理氣相沉積(jī)方(fāng)法製備渦輪葉片用熱障(zhàng)塗層的(de)典型結構
3       特(tè)色高溫防護塗層
這類塗層將材料學、物理化學、固(gù)體擴散、高溫 氧化等學科(kē)的一些基本理論引入塗層設計中,形成了獨特的(de)高溫塗層(céng)體係。
3.1      高溫微晶塗(tú)層
樓翰一和王福會等發展了一(yī)種全新的高溫(wēn)合金防護塗層——高溫合金 微晶塗層。與傳統的高溫防護塗層不同,微晶塗層與基體合金成分完全相同,因此(cǐ)避免了在高溫下塗層與基體的互擴散而引起的力學性能下降,而(ér)同時,塗層晶粒尺寸在20~100 nm,不僅可以促(cù)進A1的選擇性氧化,還可以提(tí)高氧化膜的粘附性。
3.2      功能梯度塗層
功(gōng)能(néng)梯度塗層是(shì)功能梯度材料(FGM)的設計理念在塗層/基體係(xì)統中的應用。功(gōng)能梯度材料的基本思想是將兩種(zhǒng)或以上不同材(cái)料製備成在一定方向成分(或/和結(jié)構)梯度分布的複合材料,使得材(cái)料(liào)具備(bèi)非梯度結構達不到的功(gōng)能。高溫(wēn)防護塗層中研究最多是功能梯度熱障塗層。如前所述,熱障塗層由8%Y2O3-ZrO2陶瓷頂層(céng)和MCrAlY金屬粘結層(céng)組成,陶瓷和金屬材料(liào)性質的不匹配導致熱循環過(guò)程中陶瓷層剝落,通過等離子噴塗等方法在陶瓷頂層和金屬粘結層之間製備梯度塗層,使得層中陶瓷和金屬成分沿厚度方向呈梯度變(biàn)化來(lái)緩和(hé)陶(táo)瓷/金(jīn)屬界麵的不匹配。雖然目前結果並不很盡人意,但在這方麵的探索還一直在繼續(xù)。
3.3      搪瓷塗(tú)層
搪瓷就是在金屬(shǔ)表麵塗(tú)燒一層或多層的非金屬無機材料,高溫搪燒時,金屬和無機材料在高溫下發(fā)生適(shì)當的物理化學反應,在界麵形(xíng)成化學鍵,使塗層與(yǔ)基體材料能牢固結合成(chéng)為一個整體。搪瓷塗層熱膨(péng)脹係數可調,並且熱化學穩定性高、結構致(zhì)密、抗(kàng)腐蝕性能優異;同時,塗層製備工藝簡單,成本低廉;而且作為一種惰性抗高溫腐蝕塗層,沒有傳統高溫塗層的(de)抗氧(yǎng)化組(zǔ)元消耗等問題;因此作為一種長壽命耐蝕塗層有很好的應用前(qián)景。針對搪瓷本身脆性較大的缺點,有研究者在搪(táng)瓷中添加NiCrAlY金屬粉對(duì)搪瓷進行改性,製備了具有優(yōu)異抗熱震性(xìng)能的新型金屬(shǔ)複合搪瓷。
高溫防(fáng)護塗層在技術上具有很大的潛力和良好的發展前景,其有待解決(jué)的(de)問題仍然是如何在抑製塗層與基體材料(尤其是單(dān)晶高溫合金)互(hù)擴散的同時提高塗層的抗氧化腐蝕性能,這些還需要科研工作者們的共同努力。
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