论文部分内容阅读
本文以燃气轮机叶片用高温防护涂层为研究背景,对两种典型NiCrAlY涂层合金的相组成进行了实验测定和热力学计算,以验证TTNi7数据库用于NiCrAlY涂层合金设计的可行性。在此基础上,通过热力学计算设计出两组不同Co和Re含量的NiCrAlY涂层合金,并对其组织结构、抗氧化性、热膨胀系数和显微硬度进行了系统地研究。
两种典型NiCrAlY涂层合金分别含有Co和Re元素。实验结果表明:这两种涂层合金的相组成略有不同。对于含20.3wt.％Co的NiCoCrAlY合金,在800℃以下热处理时,合金的组成相为β-NiAl、γ-Ni、γ’-Ni3Al、α-Cr、σ和Ni5Y；900～1000℃热处理时,为β-NiAl、γ-Ni、α-Cr、σ和Ni5Y；1100℃以上热处理时,合金由β-NiAl、γ-Ni、α-Cr和Ni5Y组成。与NiCoCrAlY涂层合金相比,在含5 wt.％Re的NiCrAlYRe中不存在σ相,但α-Cr相的含量很高。热力学计算结果表明:对于NiCoCrAlY合金,当温度达到800℃时,随着γ’-Ni3Al的溶解,γ-Ni相开始产生,α-Cr相只出现在400～500℃和1100～1200℃这两个温度区间;NiCrAlYRe合金中γ’-Ni3Al固溶温度的计算结果比实验结果高了约100℃,但相组成的计算结果与实验结果相同。可见,采用TTNi7热力学数据库进行的理论计算虽然不能准确地预测实验结果,但总体而言,可以对MCrAlY涂层相组成的预测提供理论指导。对比这两种合金的热膨胀系数可知,NiCrAlYRe的热膨胀系数低于NiCoCrAlY合金,可能是因为Re的添加促进了热膨胀系数较低的α-Cr相的大量析出。
利用Thermo-Calc软件和TTNi7数据库计算了不同Co和Re含量的Ni-20Cr-10Al体系的相组成,并分析了Co和Re对Ni-Cr-Al体系相组成的影响。结果显示,在Ni-20Cr-10Al-3Re(wt.％)体系中,添加Co能够扩大β-NiAl+γ-Ni相区,降低γ’-Ni3Al的固溶温度,抑制α-Cr析出,但一定含量的Co能促进σ相析出；在Ni-20Cr-10Al-20Co(wt.％)体系中,Re的添加几乎不影响γ’-Ni3Al的溶解温度,σ相和α-Cr相的数量随着Re含量的增加而大幅度增加,β-NiAl相的数量只有小幅度提高。
根据计算结果,设计了两组MCrAlY合金,并对其进行了实验分析。在含3wt.％Re的Ni-20Cr-10Al-0.4Y(wt.％)涂层合金中,加入Co扩大了β-NiAl+γ-Ni相区,促进了β-NiAl相和σ相的析出,大幅度地降低了γ’-Ni3Al的溶解温度,抑制α-Cr相析出；在含20wt.％Co的Ni-20Cr-10Al-0.4Y(wt.％)涂层合金中,加入Re降低了γ’-Ni3Al的固溶温度,较大程度地促进了σ相和α-Cr的析出,对β-NiAl相含量的影响较小。另外,在1000℃以上(包括1000℃)保温淬火后的所有MCrAlY试样中,β-NiAl相都发生了马氏体转变,由有序体心立方结构转变为面心四方结构。在NiAl马氏体板条中,存在着大量的约几个纳米厚的微孪晶。
对以上两组涂层合金的抗氧化性、热膨胀系数和微观硬度进行了测定。结果表明,Co的添加提高了NiCrAlY在1100℃时抗恒温氧化和循环氧化的能力,同时也提高了涂层的热膨胀系数；而Re恶化了NiCoCrAlY涂层在1100℃时的抗氧化性,6 wt.％和9％Re的添加降低了涂层的热膨胀系数。这说明对MCrAlY涂层而言,热膨胀系数的降低虽然有可能减小氧化膜/涂层之间的热不匹配,但是不能作为评判MCrAlY涂层抗氧化性优劣的条件。MCrAlY涂层抗氧化性的好坏与涂层本身的相组成有着密切的关系。另外,NiAl相的马氏体转变提高了涂层室温时的微观硬度,但在高温时,马氏体不是热力学稳定相,它会转变成β-NiAl相,故对涂层的高温性能没有影响。