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《昆明理工大学》 2010年
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铂铝合金粘结涂层的高温氧化行为研究

宋鹏  
【摘要】:随着能源需求的增加和环境保护的迫切需要,提高能源转化效率成为满足上述要求的适用方式之一。在保证涡轮发动机具有良好稳定性和较长使用寿命的要求下,普通涡轮发动机的运行温度在向1000°C甚至更高发展,丛而达到提高能源转换效率。从目前科技发展来看,热障涂层(TBC)的应用提高了涡轮发动机的运行温度。尽管铂金属价格昂贵,作为热障涂层组成部分之一的铂改性镍铝合金粘结涂层(简称铂铝涂层)是目前在1000°C或更高温度运行环境下,使涡轮发动机循环使用寿命可以达到25000h的最有希望的合金粘结涂层之一。然而由于粘结层中元素Pt与其它合金元素的相互作用对不同合金体系表现出不同的氧化特征,特别是对热生长层的抗氧化性能和粘结性能的复杂影响,至今对其详细的微观作用机制存在争论。而且目前铂铝涂层生成氧化铝的失效机制也不甚清楚,对较高温度运行环境下寿命可以达到25000h的铂铝涂层缺乏详细的理论支持和系统的高温性能研究。 本文研究氧化温度、氧化方式和表面处理等因素对两种不同Pt元素含量的铂铝粘结层在不同氧化时间下微观结构变化、氧化铝起伏生长机制以及内应力变化等的影响,详细解释元素Pt含量的作用和铂铝涂层的氧化机制,发现了铂铝涂层基体物相变化对氧化铝失效的影响,对1100°C时生成的氧化铝内应力变化机制进行了系统阐述,提出了试验中铂铝涂层1100°C生成氧化铝失效的力学解释。 用光学显微镜和扫描电子显微镜等对粘结层及氧化铝进行微观结构、形态和物相研究,利用18O2对样品氧化铝的生长机制进行追踪原子研究,然后利用二次中性粒子质谱仪对样品Pt元素含量进行纵深成份分析,并利用Raman光谱对氧化铝进行相鉴定,然后用光激发荧光谱技术测量Al203层的内应力。 围绕高温氧化中两种Pt元素含量的铂铝粘结涂层体现的氧化性能和粘结性能,对共约150个铂铝涂层样品进行了总共约3万小时的氧化,根据结果理论分析了氧化铝的起伏现象和涂层失效的理论解释,得到了如下主要研究结论: (1)试验采用的铂铝粘结层氧化时,在其表面生成稳定致密热生长层(TGO)氧化铝,两种含量粘结层的热障涂层系统均体现了良好的抗氧化性能和优异的粘结性能。 (2)利用扫描电镜(SEM/EDX)等设备发现高温氧化后,粘结层中的Al、Ni、和Pt等元素发生变化,并同时引起涂层物相的变化。并且高含量涂层中PtAl2在高温条件下并不稳定,高含量(10%原子比)Pt使陶瓷层具有稍长的寿命。 (3)氧化温度对铂铝粘结层热障涂层系统的使用寿命具有明显影响,且在热障涂层失效时TGO存在失效厚度。试验拟合得到了两种粘结层的热生长层厚度X随时间t的生长函数。 (4)热障涂层的YSZ陶瓷层能够压制TGO的起伏,利用表面粗糙度仪器测量分析得到,表面抛光处理工艺和等温氧化方式也使铂铝粘结层的TGO表面起伏变小。 (5)试验中所有热障涂层系统的失效界面均为TGO与粘结层的接触面,确定粘结层和氧化铝中内应力引起的起伏现象和TGO失效厚度是导致涂层失效的内在原因。 (6)采用光激发荧光谱仪对氧化铝的残余内应力进行无损研究,高含量粘结层的热障涂层系统氧化后内应力比低含量粘结层稍高。未抛光表面、抛光表面和TBC陶瓷层影响了TGO的生长和内应力数值。 (7)发现由于Al元素的消耗,使粘结层β-NiAl向γ'-Ni3Al转变,从而改变了粘结层本身的力学性能,同时改变了内应力的分布状态,最终导致氧化铝脱落。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG174.4

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