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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

王宏宇  
【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Al_2O_3颗粒,纳米CeO_2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CeO_2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。


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