铬改性铝化物扩散涂层的制备与性能研究

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高温氧化以及热腐蚀是燃气轮机叶片常见的失效形式,随着燃气轮机叶片的工作温度的升高,对防护涂层性能的要求也随之提高。简单铝化物涂层抗高温氧化性能良好,但是抗热腐蚀性能较差。一般来说,提高简单铝化物涂层的抗高温氧化和热腐蚀性能主要从两个方面入手,一是提高氧化铝膜与涂层之间的结合力,二是降低涂层中Al元素向基体的内扩散。具体的手段包括:添加Cr、Si、Pt或稀土元素来对铝化物涂层进行改性,以提高氧化铝膜与涂层之间的结合力;通过在涂层与基体之间加扩散障来抑制Al元素的内扩散。  本文利用固体粉末包埋法以及气相共渗法制备了多种Cr改性铝化物涂层。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析手段,研究了Cr改性铝化物涂层组织、结构及成分。对包埋法制备的涂层的抗高温氧化和热腐蚀性能进行了研究。主要研究内容如下:  采用粉末包埋两步法制备了一种Cr改性铝化物涂层;采用粉末包埋共渗法制备了两种不同Cr含量的Cr改性铝化物涂层,同时采用粉末包埋法制备了一种简单铝化物涂层作为对照。摸索出气相沉积制备Cr改性铝化物涂层方法,并研究了涂层Cr含量与涂层相组织之间的关系。  对Cr改性铝化物涂层进行1100℃恒温氧化研究发现,Cr改性铝化物涂层和简单铝化物涂层都能够提高基体的抗高温氧化性能。但简单铝化物涂层在高温氧化过程中元素互扩散及氧化铝膜剥落现象较严重,Cr改性铝化物涂层中富Cr析出带阻挡了元素扩散,表现出更好的抗氧化性能。  在900℃和700℃下75wt.%Na2SO4+25wt.%NaCl混合盐热腐蚀实验中,Cr改性铝化物涂层的抗热腐蚀性能更好,相对简单铝化物涂层得到显著提高。700℃下几种涂层的防护性能表现与900℃实验结果相似,但涂层退化的速度明显减慢。  通过对比三种Cr改性铝化物涂层以及简单铝化物涂层的抗高温氧化以及抗热腐蚀性能发现,Cr改性铝化物涂层中,Cr能够降低形成连续Al2O3膜的临界Al含量,可以提高涂层的“自愈合”能力;Cr在互扩散区形成扩散障,阻止了涂层中Al元素与基体元素的互扩散。特别是在热腐蚀过程中,涂层中添加Cr的作用更加明显。包埋法制备的涂层表面都会粘附一些Al2O3颗粒,表面的Al2O3颗粒难以完全清除,会影响到Cr改性铝化物涂层的抗热腐蚀能力。外界的氧和硫会沿着表面Al2O3颗粒造成的扩散通道快速扩散,从而造成氧化膜的增厚以及涂层内腐蚀。
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