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纳米颗粒增强NiCoCrAlY激光熔覆涂层制备及其特性研究

作　者: 王宏宇
导　师: 左敦稳
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械工程
关键词: NiCoCrAlY涂层 激光熔覆 纳米颗粒 制备技术 高温防护性能 微纳米复合粉体 压片预置法
分类号: TG174.44
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文基于对NiCoCrAlY涂层氧化行为及国内外相关研究进展的分析,提出了“将纳米颗粒引入NiCoCrAlY熔覆涂层中,充分发挥激光熔覆技术的高能快冷特性和纳米颗粒的纳米效应的协同作用,从而改善其高温防护性能”的新思路。以高分散性金属基微纳米复合粉体制备技术和采用不同于黏结法的激光熔覆粉体预置工艺为关键技术,通过对激光熔覆工艺过程的理论分析和实验研究,成功制备了纳米颗粒增强NiCoCrAlY熔覆涂层,考察了不同种类、不同含量纳米颗粒增强的NiCoCrAlY熔覆涂层的显微组织和抗氧化性能、抗热腐蚀性能及抗热震性能等高温防护性能,并初步探讨了纳米颗粒的作用机制,获得了一种新型激光熔覆涂层技术---压片预置式激光熔覆,这一技术可满足高性能纳米颗粒增强激光熔覆NiCoCrAlY涂层制备的需要。本文完成的主要工作和取得的成果如下。（1）基于对纳米粉体的添加方法、添加量和球磨工艺参数的研究,提出了一种新型高分散性金属基微纳米复合粉体的制备技术。这一方法具有粉体品质好、工艺简单、处理时间短、反应过程容易控制、能连续批量生产等特点。（2）针对现有粉末预置方法的不足,研发了一种新型粉末预置方法---压片预置法。由于不受粉体粒径限制,这一方法可以满足引入纳米颗粒后激光熔覆制备高品质NiCoCrA1Y涂层的需要。相对于热喷涂和化学黏结法,该方法具有粉末利用率高、对粉末粒度适应性强、预置时不会引入杂质元素等特点。（3）鉴于压片预置式激光熔覆是一种新型激光熔覆涂层技术,开展了压片预置式激光熔覆工艺过程的理论分析和实验研究。模拟了镍基高温合金表面上激光熔覆NiCoCrA1Y涂层的温度场和应力场,获得了在镍基高温合金上制备NiCoCrA1Y熔覆涂层的工艺参数,考察了采用优化后的工艺参数所制备的激光熔覆NiCoCrAlY涂层与基体的结合性能。（4）采用SEM、EDS、XRD等手段,分析了添加不同种类、不同含量纳米颗粒的NiCoCrA1Y熔覆涂层的显微组织,并初步讨论了纳米颗粒对NiCoCrA1Y熔覆涂层组织的影响机制。加入纳米颗粒后,涂层界面处的结晶形态发生变化,熔覆层的组织被细化、近界面处基体的裂纹等缺陷被有效抑制。在三种纳米颗粒中,纳米SiC颗粒对熔覆层组织的改善效果最好,其次是纳米Al2O3颗粒,纳米CeO2颗粒的改善效果较弱。纳米颗粒在微纳米复合粉体中的分散性以及它们在熔凝过程中的稳定性,是决定其对涂层组织改善效果的重要因素。（5）根据NiCoCrAlY高温防护涂层的服役要求,研究了添加不同种类、不同含量纳米颗粒的NiCoCrA1Y熔覆涂层的等温氧化行为、热腐蚀行为和加速热震行为;同时,初步讨论了纳米颗粒对NiCoCrA1Y熔覆涂层高温防护性能的影响机制。加入纳米颗粒后,涂层的高温防护性能均好于未加纳米颗粒的涂层;其中,1 wt.%纳米SiC颗粒对涂层抗氧化性能和抗热震性能的改善最为明显,2 wt.%纳米CeO2颗粒涂层的抗热腐蚀性能最好;纳米颗粒对涂层高温防护性能的改善,主要归因于加入纳米颗粒后涂层组织的细化。综上所述,本文提出的纳米颗粒增强NiCoCrAlY熔覆涂层制备技术,具有较好的工程适应性和应用前景;同时,采用该技术所制备的纳米颗粒增强NiCoCrAlY涂层,具有很好的高温防护性能,能够较好地满足先进燃气涡轮发动机的服役要求。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-18
第一章 绪论  18-30
  1.1 引言  18-19
  1.2 NiCoCrAlY 合金的氧化行为  19-20
  1.3 改善NiCoCrAlY 涂层氧化行为的研究进展  20-24
    1.3.1 增加扩散阻挡层  21-22
    1.3.2 涂层表面预处理  22
    1.3.3 改变涂层的成分  22-23
    1.3.4 新型制备技术的应用  23-24
  1.4 本文研究的意义、内容及技术方案  24-29
    1.4.1 研究意义  24-26
    1.4.2 研究内容及技术方案  26-29
  1.5 本章小结  29-30
第二章 高分散性金属基微纳米复合粉体制备技术的研究  30-39
  2.1 引言  30
  2.2 纳米粉体的添加方法  30-32
  2.3 纳米粉体添加量的理论计算  32-37
    2.3.1 包覆式复合粒子理论模型  32-33
    2.3.2 微纳米粉体机械复合配比关系理论模型的建立  33-36
    2.3.3 微纳米粉体机械复合配比关系理论模型的验证  36-37
  2.4 球磨工艺参数的确定  37-38
  2.5 本章小结  38-39
第三章 压片预置式激光熔覆NiCoCrAlY 涂层制备工艺的研究  39-60
  3.1 引言  39-40
  3.2 压片预置式激光熔覆温度场的数值模拟  40-47
    3.2.1 模型的简化  40
    3.2.2 激光热源模型的选择  40-41
    3.2.3 模型尺寸及热物性参数  41-42
    3.2.4 熔覆层的等价厚度  42-44
    3.2.5 模型的网格划分  44
    3.2.6 边界条件及相变潜热  44-45
    3.2.7 模型的实验验证  45
    3.2.8 温度场模拟结果分析  45-47
  3.3 压片预置式激光熔覆应力场的数值模拟  47-52
    3.3.1 热力耦合有限元分析方案  48
    3.3.2 应力场模拟结果分析  48-52
  3.4 压片预置式激光熔覆工艺参数的优化  52-57
    3.4.1 能量利用率测定方法  52-53
    3.4.2 正交试验结果  53
    3.4.3 试验结果分析  53-56
    3.4.4 工艺参数的优化结果  56-57
  3.5 压片预置式激光熔覆涂层与基体的结合性能  57-59
  3.6 本章小结  59-60
第四章 纳米颗粒增强NiCoCrAlY 熔覆涂层的显微组织  60-73
  4.1 引言  60
  4.2 未加纳米颗粒熔覆涂层的显微组织  60-61
    4.2.1 涂层微观形貌  60-61
    4.2.2 涂层的物相组成  61
  4.3 添加纳米Al_20_3 颗粒熔覆涂层的显微组织  61-64
    4.3.1 涂层界面区微观形貌  61-63
    4.3.2 涂层熔覆层微观形貌  63-64
    4.3.3 纳米Al_20_3 在涂层中的分布  64
    4.3.4 涂层的物相组成  64
  4.4 添加纳米SiC 颗粒熔覆涂层的显微组织  64-68
    4.4.1 涂层界面区微观形貌  64-66
    4.4.2 涂层熔覆层微观形貌  66-67
    4.4.3 纳米SiC 在涂层中的分布  67-68
    4.4.4 涂层的物相组成  68
  4.5 添加纳米CeO_2 颗粒熔覆涂层的显微组织  68-70
    4.5.1 涂层界面区微观形貌  68-69
    4.5.2 涂层熔覆层微观形貌  69-70
    4.5.3 纳米CeO_2 在涂层中的分布  70
    4.5.4 涂层的物相组成  70
  4.6 纳米颗粒对涂层组织影响机制的探讨  70-72
  4.7 本章小结  72-73
第五章 纳米颗粒增强NiCoCrAlY 熔覆涂层的抗氧化性能  73-92
  5.1 引言  73
  5.2 未加纳米颗粒熔覆涂层的氧化行为  73-77
    5.2.1 涂层的氧化动力学  73-74
    5.2.2 涂层氧化后的横切面形貌  74-75
    5.2.3 涂层氧化后的表面形貌  75-76
    5.2.4 涂层表面氧化膜的物相  76-77
  5.3 添加纳米Al_20_3 颗粒熔覆涂层的氧化行为  77-81
    5.3.1 涂层的氧化动力学  77-78
    5.3.2 涂层氧化后的横切面形貌  78
    5.3.3 涂层氧化后的表面形貌  78-80
    5.3.4 涂层表面氧化膜的物相  80-81
  5.4 添加纳米SiC 颗粒熔覆涂层的氧化行为  81-84
    5.4.1 涂层的氧化动力学  81-82
    5.4.2 涂层氧化后的横切面形貌  82-83
    5.4.3 涂层氧化后的表面形貌  83
    5.4.4 涂层表面氧化膜的物相  83-84
  5.5 添加纳米CeO_2 颗粒熔覆涂层的氧化行为  84-87
    5.5.1 涂层的氧化动力学  84-85
    5.5.2 涂层氧化后的横切面形貌  85-86
    5.5.3 涂层氧化后的表面形貌  86-87
    5.5.4 涂层表面氧化膜的物相  87
  5.6 纳米颗粒对涂层抗氧化性能影响机制的探讨  87-90
  5.7 本章小结  90-92
第六章 纳米颗粒增强NiCoCrAlY 熔覆涂层的抗热腐蚀性能  92-105
  6.1 引言  92
  6.2 未加纳米颗粒熔覆涂层的热腐蚀行为  92-94
    6.2.1 涂层的热腐蚀动力学  92
    6.2.2 涂层热腐蚀后的微观形貌  92-94
    6.2.3 涂层热腐蚀后的产物  94
  6.3 添加纳米Al_20_3 颗粒熔覆涂层的热腐蚀行为  94-97
    6.3.1 涂层的热腐蚀动力学  94-95
    6.3.2 涂层热腐蚀后的微观形貌  95-96
    6.3.3 涂层热腐蚀后的产物  96-97
  6.4 添加纳米SiC 颗粒熔覆涂层的热腐蚀行为  97-99
    6.4.1 涂层的热腐蚀动力学  97-98
    6.4.2 涂层热腐蚀后的微观形貌  98
    6.4.3 涂层热腐蚀后的产物  98-99
  6.5 添加纳米CeO_2 颗粒熔覆涂层的热腐蚀行为  99-102
    6.5.1 涂层的热腐蚀动力学  99-101
    6.5.2 涂层热腐蚀后的微观形貌  101-102
    6.5.3 涂层热腐蚀后的产物  102
  6.6 纳米颗粒对涂层抗热震性能影响机制的探讨  102-104
  6.7 本章小结  104-105
第七章 纳米颗粒增强NiCoCrAlY 熔覆涂层的抗热震性能  105-115
  7.1 引言  105
  7.2 未加纳米颗粒熔覆涂层的热震行为  105-107
    7.2.1 涂层经热震循环10 次后的表面形貌  105-106
    7.2.2 涂层经热震循环100 次后的横切面形貌  106-107
  7.3 添加纳米Al_20_3 颗粒熔覆涂层的热震行为  107-109
    7.3.1 涂层经热震循环10 次后的表面形貌  107-108
    7.3.2 涂层经热震循环100 次后的横切面形貌  108-109
  7.4 添加纳米SiC 颗粒熔覆涂层的热震行为  109-111
    7.4.1 涂层经热震循环10 次后的表面形貌  109-110
    7.4.2 涂层经热震循环100 次后的横切面形貌  110-111
  7.5 添加纳米CeO_2 颗粒熔覆涂层的热震行为  111-113
    7.5.1 涂层经热震循环10 次后的表面形貌  111-112
    7.5.2 涂层经热震循环100 次后的横切面形貌  112-113
  7.6 纳米颗粒对涂层抗热震性能影响机制的探讨  113-114
  7.7 本章小结  114-115
第八章 总结与展望  115-119
  8.1 全文总结  115-118
    8.1.1 本文完成的主要工作  115-117
    8.1.2 本文研究的主要创新点  117-118
  8.2 后继研究工作展望  118-119
参考文献  119-126
致谢  126-127
攻读博士学位期间的研究成果  127-128

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术 > 金属复层保护
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