强流脉冲电子束作用下激光熔覆NiCoCrAlY涂层组织及高温氧化性能研究

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针对激光熔覆NiCoCrAlY涂层表面粗糙度大及高温服役过程中热生长氧化物(TGO)非受控生长的难题,本文采用同步送粉的方式利用激光熔覆技术在304奥氏体不锈钢基体上制备了组织致密、与基体冶金结合的NiCoCrAlY高温防护涂层。为进一步提高涂层的高温防护特性,利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对激光熔覆层表面进行抛光及净化处理,分别研究了5次脉冲、15次脉冲、25次脉冲下NiCoCrAlY涂层的微观结构及相组成,并在此基础上研究了强流脉冲电子束作用前后熔覆层的机械性能及高温氧化性能。主要研究内容和结果如下:(1)研究了强流脉冲电子束辐照前后NiCoCrAlY熔覆层微观结构及相组成的演变,根据结果可知,强流脉冲电子束辐照前后的NiCoCrAlY熔覆层中均包括面心立方的γ/γ’相和β-Ni Al相。随着脉冲辐照次数的增加,γ-Ni相转变为β-Ni Al相,导致β-Ni Al相含量增加,且晶面指数为(111)和(200)的γ/γ’相XRD衍射峰逐渐向高角度移动。5次脉冲辐照后的熔覆层表面出现较多尺寸约为30~80μm的凸起。当脉冲次数增加到15次时,孔隙被重新熔化的颗粒进一步填充,形成了比初始粘结层更致密的表面,随着脉冲次数继续增加至25次,涂层表面逐渐变得平整、光滑,25次脉冲辐照后的熔覆层表面陨石坑状缺陷数量相比于5次脉冲辐照降低了53.23%,熔覆层表面杂质含量明显降低,辐照的净化作用更加明显。(2)研究了强流脉冲电子束辐照前后NiCoCrAlY熔覆层显微硬度及摩擦磨损性能,根据结果可知,不同脉冲辐照次数后的熔覆层表面显微硬度均高于原始涂层表面。5次辐照后涂层表面显微硬度最大,为216HV0.2,原始NiCoCrAlY熔覆层表面显微硬度最小,为198 HV0.2,5次辐照后熔覆表面显微硬度提高了9%。强流脉冲电子束辐照后的涂层表面摩擦磨损系数及磨损量均低于原始涂层,原始熔覆层平均摩擦系数为1.04,5次辐照后平均摩擦系数为0.70,15次辐照后平均摩擦系数为0.89,25次辐照后平均摩擦系数为0.85。相较于原始涂层,5次辐照后涂层摩擦系数降低了33.7%,5次辐照后的磨损体积相较于原始涂层降低了66.9%。(3)研究了850℃下强流脉冲电子束辐照前后NiCoCrAlY熔覆层在20h、100h、200h的耐高温氧化性能,根据结果可知,高温环境下,辐照前后的NiCoCrAlY熔覆层均形成了热生长氧化层(TGO),氧化前期,原始熔覆层表面形成了疏松、多孔的热生长氧化层,熔覆层内部出现了点状氧化。氧化中期熔覆层表面出现了尖晶石状氧化物。氧化后期主要以混合氧化物为主,并伴随着严重内氧化,氧化膜完全失效。HCPEB辐照后涂层随着脉冲辐照次数的变化,其氧化机理也发生改变。5次辐照后的涂层在850℃的环境中氧化膜主要为Al2O3,15次和25次脉冲电子束辐照后涂层保护性的氧化膜主要是Cr2O3,且保护性氧化膜随着时间的延长持续性增长。15次脉冲辐照后的涂层在整个氧化周期中氧化增重比较平稳,熔覆层表面形成一个相当平坦且连续的TGO,而且TGO主要呈双层结构,即表层的Cr2O3和次表层的Al2O3。随着氧化反应的进行,TGO层逐渐增厚且生长均匀,有效延长了涂层在高温下的服役寿命。
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