大型飞机发动机用IC20单晶合金抗氧化涂层的研究

admin · 发表于 2022-5-17 23:50:38

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现代航空工业迅速发展，发动机推重比不断提高，要求涡轮叶片材料具有较高的综合性能。实验室新开发的Ni3Al-Mo基IC20单晶合金具有较低的密度和优良的高温力学性能，但由于不含Cr而有较高含量的Mo其抗高温氧化和热腐蚀能力较差，在高温下使用时需要涂层保护。本文用粉末包埋渗的方法在IC20单晶合金上制备了渗Al、Cr-Al、Al-Si和Cr-Al-Si涂层，研究了IC20合金及四种涂层在1100℃和1150℃下的抗高温氧化性和950℃抗燃气热腐蚀能力。涂层在制备过程中发生涂层与基体间互扩散，形成扩散合金化涂层，结合表面XRD结果表明涂层的相结构为Ni2Al3与β-NiAl，是提高抗氧化的标准相。IC20合金及四种涂层进行1100 ℃/100 h和1150 ℃/100 h的等温氧化实验。IC20合金由于Mo含量较高发生Mo的氧化，生成NiMoO4和挥发性的MoO3，氧化膜发生大面积剥落；渗Al和Cr-Al涂层能够在一定程度上提高IC20合金抗氧化性能，但是由于表面氧化产物主要为NiAl2O4，所以不能较好的保护基体合金不发生进一步氧化；Al-Si和Cr-Al-Si涂层在氧化100 h后表面生成完整致密的α-Al2O3氧化膜，未发生氧化膜剥落，达到完全抗氧化级。由于Cr在高温下容易形成挥发性氧化物，降低氧化膜与基体之间结合力，因此Al-Si涂层比Cr-Al-Si涂层抗氧化性好。进一步研究表明，Al-Si和Cr-Al-Si涂层中Si元素能阻挡Mo元素向外扩散。Al-Si和Cr-Al-Si涂层显著改善了IC20单晶合金的抗高温氧化性能。渗Al和Cr-Al涂层在氧化100 h后退化成γ相和部分γ′相，保护作用减弱；Al-Si和Cr-Al-Si涂层在氧化100 h后部分涂层退化成γ′相。大部分依旧为β-NiAl，涂层依旧具有很好的保护作用。说明Si的添加有效的减缓了涂层的退化速度，延长涂层使用寿命。渗Al、Cr-Al、Al-Si和Cr-Al-Si涂层使得IC20单晶高温合金在950℃的抗燃气热腐蚀性能有明显改善，研究表明Cr-Al-Si涂层对提高IC20合金抗燃气热腐蚀性能最好。渗Al与Cr-Al涂层在热腐蚀实验过程中没有形成致密的氧化膜，导致合金发生严重燃气热腐蚀并使得涂层最终脱离基体合金而失效；Al-Si和Cr-Al-Si涂层表面形成了连续致密的氧化膜对合金起到很好保护作用。

大型飞机发动机用IC20单晶合金抗氧化涂层的研究

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