电子束熔覆制备MCrAlY涂层及其高温抗氧化性能研究

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镍基单晶高温合金因其优异的高温机械性能,目前已经成为制造航空发动机涡轮叶片的首要材料。但是其抗高温氧化和抗热腐蚀性能较差,需要在表面涂覆一层额外的高温防护涂层。MCrAlY(M=Ni,Co,Fe)由于优异的高温抗氧化、抗热腐蚀等被广泛应用于高温防护涂层和热障涂层的粘接层。本文首先研究了电子束重熔工艺对PWA1483镍基单晶高温合金重熔层质量(粗糙度、硬度和厚度)的影响,再利用得到的最优参数尝试通过电子束熔覆技术在母材PWA1483表面制备一层MCrAlY涂层,最后对比MCrAlY涂层和母材的高温抗氧化性能。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM/EDS)、X射线衍射(XRD)及电子背散射衍射(EBSD)对MCrAlY涂层的微观组织、物相和晶体生长方向进行了分析;采用显微硬度计、纳米压痕仪、三维轮廓仪和马弗炉对MCrAlY涂层的显微硬度、表面粗糙度和高温抗氧化性能进行了分析。首先通过三水平三因素正交试验探究电子束重熔工艺参数对PWA1483镍基单晶高温合金重熔层质量的影响,然后以重熔层质量为评价指标,利用极差分析获取电子束重熔的最佳工艺参数。研究结果显示:在加速电压、重熔电流及重熔时间这三个工艺参数中,对重熔层表面粗糙度的影响大小为:重熔电流>加速电压>焊接时间;对重熔层硬度的影响大小为:重熔电流>重熔时间>加速电压;对重熔层厚度的影响大小为:重熔时间>加速电压>重熔电流,此外电子束重熔的最佳工艺参数为:加速电压65k V,重熔电流15m A,重熔时间4.5s。再采用最佳重熔工艺参数在PWA1483镍基单晶高温合金表面成功制备MCrAlY涂层,并对该涂层的组织和物相进行分析,揭示涂层的生长机理。研究结果表明:电子束熔覆技术制备的MCrAlY涂层不仅实现了与母材取向[001]一致的外延生长,且未出现柱状晶向等轴晶(CET)的转变;涂层中的物相与基体一致,主要为γ-Ni Al和γ’-Ni3Al相;涂层中柱状枝晶的平均初生枝晶尺寸从底部到顶部由2.0μm增加到2.7μm。在垂直于电子束扫描方向的截面上,微观结构可分为三个区域:[001]区域、电子束搭接的[100]区域和过渡区域。在电子束搭接区域,由于温度梯度的主导方向由垂直转变成水平方向,导致枝晶生长方向由[001]方向转变为[100]方向。最后研究MCrAlY涂层的抗高温氧化性能,分别对涂层和基体进行了1000℃100小时的高温循环氧化实验,并分析涂层和基体的高温氧化行为。研究结果显示:MCrAlY涂层的抗高温氧化性能较基体提高了约2倍,涂层的氧化物主要是致密的Al2O3且不出现剥落,基体的氧化膜则出现大面积剥落现象,其物相主要是Ti O2,Ni(Cr2O4)和Cr2O3。此外随着氧化时间的延长,涂层中部分的Cr和Ti元素会逐渐穿过Al2O3膜从而在涂层表面形成一层富Cr、Ti氧化层。
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