冷喷涂纳米结构NiCrAlY涂层在氩气气氛中的氧化行为研究

冷喷涂纳米结构NiCrAlY涂层在氩气气氛中的氧化特性张强李长久西安交通大学热喷涂课题组主要内容研究背景实验材料与工艺结果与讨论机械合金化制备纳米结构NiCrAlY喷涂粉末冷喷涂制备纳米结构NiCrAlY涂层组织结构特征纳米结构NiCrAlY涂层在氩气气氛中的氧化行为研究主要结论致谢高温合金基体：承受机械载荷粘结层(BC)：连接和抗氧化作用陶瓷层(TBC)：隔热热障涂层(TBCs)的组成研究背景发展趋势：大推力高效率低油耗长寿命主要措施：提高进口温度，增加燃烧室温度冷却方式:气膜冷却，应用TBCsHotGasesCoolingAirYSZBondcoatSubstrateTGOTGO：a-Al2O3TBCs目前主要关注点：提高TBCs的稳定性，延长服役时间，降低成本。影响TBCs稳定性的主要因素：粘结层（BC）热力学稳定性TGO(Thermallygrownoxide)均匀性和生长速度,TGO组织结构,TGO界面几何形状TGO/YSZ和TGO/BC结合强度YSZ组织结构研究背景TGO的生长机理Nano-BC层表面a-Al2O3形成原理研究背景a-Al2O3LowestgrownrateGoodadhesion纳米结构BC层BC晶粒细小存在大量晶界加速Al向表面的扩散氧化初期抑制Al的贫化生成均匀连续的a-Al2O3氧化消耗BC表面AlAl逐渐贫化Al不足Ni,Cr氧化NiO,Cr2O3，Ni(Cr,Al)2O4Al足量L.Ajdelstajnetc,J.ThermalSprayTechnol.14(1)(2005)23粘结层(BC)常用制备工艺：MCrAlY粘结层HVOF：高的氧坏境，氧化严重LPPS：温度高，成本昂贵冷喷涂（coldspray）研究背景冷喷涂技术原理及其特点特点：粒子温度低（600℃)、高速(300～1200m/s)、低成本避免氧化、晶粒长大致密和厚涂层研究背景便于工业应用实验材料与工艺:基体:Inconel738涂层材料：Nano-Ni20Cr10Al1Y—MechanicalalloyColdspray-XJTUhomeinstalledsystem等温氧化：ShotPeeningpre-treatmentAr，900oC,1000oC,1100oC,1150oCfor4hrsNiCrAlY粘结层高温氧化行为实验材料与工艺PowderNiCrAlY(52m)Balltopowder10:1Rev./rpm160Millingtime/h36hrsPowdercharge/g20gMillingballStainlessball(10,6mm)AtmosphereArgonContainermaterialsStainlesssteelBallmillingparameters(usedtoformnanostructuredpowders)纳米结构NiCrAlY粉末的制备工艺实验材料与工艺Primarygas(MPa)2.0Secondarygas(MPa)2.6Gastemperature(℃)590±30Traversespeed(mm·s-1)150Feedrate(g/min)27.4冷喷涂工艺参数实验材料与工艺喷枪结构示意图冷喷涂工艺参数喷丸工艺参数equipmentMT-1500,FrancePressure/MPa0.1Diameterofglasssphere/mm0.3Distance/mm150实验材料与工艺Nano-NiCrAlY粉末的典型形貌StartingNiCrAlYpowderNano-powderBall-milledNiCrAlYpowder36hrsMASurfacemorphologyGrainsize=15~50nmDiffrationpatternBrightfieldimageTEM,JEM-200CX冷喷涂层SEM,Quanta200OxygencontentPowder0.75Coating0.72冷喷涂Nano-NiCrAlY涂层组织结构热处理涂层热处理对NiCrAlY涂层组织结构的影响1000℃-4h，Ar（99.99%）As-sprayedAnnealed氧化膜表面形貌Nano-NiCrAlY涂层表面氧化膜的形貌特征900℃-4h，Ar（99.99%）Needle-likeEquiaxedθ-Al2O3a-Al2O3氧化膜表面形貌1000℃-4h，Ar（99.99%）XRDpatternNano-NiCrAlY涂层表面氧化膜的形貌特征Elementmapping氧化膜组织结构1000oC-4h,Argon氧化膜表面形貌1150℃-4h，Ar（99.99%）原始形貌对氧化膜表面形貌的影响Atthickoxideregion,alayerofoxidewithanevidentcontrastwasobserved.Thistypeofoxideiscomposedofspinel,Al2O3andCr2O3.Oxideconstitutions1100oC-4h,Argon主要结论冷喷涂可以制备致密无氧化的NiCrAlY涂层。在900℃下热处理后，涂层表面局部生成了呈针状的q-Al2O3。在1000℃以上热处理，涂层表面生成球状的a-Al2O3，均匀连续的分布在在粘结层表面。原始涂层的表面形貌显著地影响氧化物的表面形貌，在较平坦的部位氧化膜均匀致密，而在较为粗糙的部位氧化膜表面表面呈现与颗粒尺寸相对应的粗糙形貌。致谢国家重大基础研究计划（2007CB707702）；国家杰出青年基金（50725101）；高能束流加工技术国防科技重点实验室基金（51461070705JW0805）；国际合作项目（Honeywell公司）。谢谢！