ODS型高温复合涂层和活性元素效应的研究
Study on ODS Type High Temp.Composite Coating and Active Element Effect

本文进一步研究了新型稀土氧化物弥散强化(ODS型)的βNIAL基高温复合涂层的制备工艺优化、组织结构、高温氧化行为以及高温力学行为等.同时,深入探讨了添加稀土氧化物增强AL〓O〓膜保护性的活性元素效应及其机制.重点研究了热扩散过程中,氧化物质点迁移,并在涂层/基体界面形成富集的规律,并从理论上分析了氧化物质点减轻涂层组织退化的影响规律.在900~1000℃之间开展的复合涂层长期氧化行为表明,稀土氧化物CEO〓等具有降低AL〓O〓膜的生长速率,改善氧化膜的粘附性,促进保护性氧化膜的形成等活性元素效应,采用SEM/EDAX,EPMA及TEM等,并结合双面氧化弯曲应力测量和原子间结合能测量等新技术,详细分析了涂层组织、氧化物质点分布状态,AL〓O〓氧化膜及其与基体界面的结构、膜内应力水平及原子结合状态等,取得了一些新的实验结果.下面将主要研究结果加以简要介绍. 1.改进了涂层制备装置、优化了工艺参数、并建立了参数间影响关系的基础上,实现了在较大尺寸(150*800MM)试样上制备氧化物弥散均匀、氧化物含量可控的NI-RE〓O〓(CEO〓,LA〓O〓等)复合沉积层.在NI-RE〓O〓及NIAL-RE〓O〓层中均存在一定数量的纳米级氧化物质点并主要位于晶界处.复合涂层中氧化物的存在明显地细化了涂层的晶粒组织.通过调整氧化物含量、粒度等参数,可获得不同细化程度的NIAL相涂层组织(通常为15μM,细小者可达5μM),从而在一定程度上可对复合涂层的成分及组织加以调整. 2.在高活度渗铝条件下,NI-RE〓O〓层中的部分小尺寸弥散氧化物质点发生迁移,并在涂层/基体界面附近靠近涂层一侧形成富集.进一步的研究表明,在真空退火或低活度渗铝,氧化物尺寸较大(>4μM)等条件下,不产生氧化物的迁移;尺寸相同而种类不同的氧化物具有相似的迁移、富集行为;氧化物的迁移多发生于细晶基体中(如电沉积层,ODS合金),而在粗晶基体中(如铸造合金)则不发生迁移.认为生长的NIAL相前沿对纳米级氧化物质点具有"拖动"作用,并在界面畸变能的作用下,生长NIAL相前沿处的细晶基体发生形变,有助于氧化物质点产生滑移运动,增加了氧化质点的可移动性.氧化物质点,随生长NIAL相前沿的共同移动,导致在涂层内侧形成富集. 3.复合涂层氧化后的组织退化较简单渗铝涂层明显减轻.扩散理论计算也表明,添加弥散氧化物,特别是涂层/基体界面处的氧化物富集层,起到了减小互扩散、抑制涂层退化的作用;在氧化初期减小了表面AL浓度的降低速率,并在长期氧化条件下保持了较高的、稳定的AL浓度值.适当提高涂层中氧化物的含量可更有效地抑制涂层的退化.在较高氧化物含量下,需考虑短路扩散的作用,并相应以F/R参数作为有效扩散参数的分析依据.随着氧化温度的提高,需相应增加氧化物的含量才能起到有效抑制扩散的作用.此外,复合涂层的内扩散层中形成σ等析出相的倾向明显减少. 4.复合涂层在900~1000℃间的长期氧化(≥600H)行为表明,恒温氧化速率较K17合金渗铝涂层有不同程度的降低,尤其抗循环氧化性能得到了极大的改善.在AL〓O〓膜的晶粒间发现了含有纳米级CEO〓的AL〓O〓细晶集团,SIMS技术测定结果表明,含CEO〓、GD〓O〓的复合涂层表面AL〓O〓膜内AL原子间的结合能增加了3~5EV.纳米级氧化物质点具有一定的表面活性,氧化物质点间可产生类似表面烧结的活性反应,从而增加了原子间的结合强度,相应提高了元素的扩散激活能,并阻碍沿晶界的短路扩散,导致了氧化膜生长速率的降低.复合涂层的氧化膜/基体界面为曲折型,并且氧化膜与基体间保持了一定的外延生长关系,有利于改善界面状态,增加界面结合.含CEO〓级LA〓O〓的复合涂层的氧化膜生长应力降低了500~3500MPA,进一步验证了复合涂层表面氧化膜的晶粒细化,有利于改善氧化膜塑性和膜内应力的释放,从而使氧化膜的粘附性得到了显著地改善.此外,实验观察和理论分析均证实了,复合涂层表层的弥散氧化物质点在氧化初期具有促进氧化膜形核,提高氧化膜再生能力等有益作用. 5.采用高温持久和高温旋转弯曲疲劳实验,评价了复合涂层对K17合金高温力学性能的影响.复合涂层试样的持久断裂时间与合金渗铝涂层相近,约为120H,均大于≥70H的实验标准.复合涂层的疲劳寿命为336.5MPA,K17合金为333.5MPA,表明复合涂层对基材的高温疲劳性能没有影响.复合涂层是预沉层经渗铝制备而成,因此,渗铝过程对基材的成分、组织影响很小,并且复合涂层由细晶NIAL相所组成,涂层的延展性得到改善,避免了在涂层内部形成疲劳源导致的疲劳寿命的降低. 6.采用适当的工艺方法,成功地在WP7E和WP13型航空发动机一级涡轮叶片上制备了涂层厚度、氧化物分布均匀、涂层/基体结合力较好的复合涂层,其中施加复合涂层的WP7E型发动机一级涡轮叶片进行了短期地面试车,并取得了初步实验的结果. ODS型βNIAL型基高温涂层制备成本较低,并具有较现用合金渗铝涂层更加优良的抗高温氧化性能,涂层的组织稳定性好,出现σ等有害析出相的倾向较小等优点,并可通过改变氧化物含量,采用AL-SI共渗等多种热扩散技术方便地制备适用于不同使用环境的系列复合涂层.