强流脉冲电子束作用下激光熔覆NiCoCrAlYSi涂层微观结构及热腐蚀性能研究

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MCrAlYX高温防护涂层被广泛应用于涡轮叶片等热端部件,其主要目的是通过在涂层表面形成致密的热生长氧化层(TGO),防止高温合金基体发生严重的热腐蚀和内氧化失效,以确保燃气轮机热端部件在高温环境下长时间保持良好的机械和化学稳定性。MCrAlYX高温防护涂层表面微观形貌、成分分布及组织结构状态等因素决定了高温下涂层表面TGO的热生长行为。因此,通过优选MCrAlYX涂层制备技术与表面修复改性技术,可在微观结构层面上实现对涂层的组织及性能的调控,诱导高温腐蚀环境下TGO的稳态生长,进而使涂层在不同腐蚀介质中耐热腐蚀性能得到明显改善。本文首先对NiCoCrAlYSi激光熔覆涂层的制备工艺进行参数优选,随后使用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对熔覆层表面进行不同次数辐照改性处理。通过多种表征手段对辐照前后熔覆层表/截面微观结构形貌、显微硬度、摩擦磨损等性能进行分析,揭示HCPEB技术对NiCoCrAlYSi激光熔覆层综合性能改性的机制,并优选出最佳HCPEB辐照改性参数。重点表征900℃下不同热腐蚀介质(Na2SO4+25wt.%K2SO4 与 Na2SO4+25wt.%NaCl)中 HCPEB 辐照前后熔覆层热腐蚀产物及热腐蚀动力学行为,揭示NiCoCrAlYSi激光熔覆层在不同腐蚀介质中的失效机理及HCPEB辐照后熔覆层耐热腐蚀性能强化机制。研究表明,不同激光比能(Eω)和送粉器转速(M)对NiCoCrAlYSi激光熔覆层几何特征的影响显著,熔覆层最佳制备工艺为:激光比能量Eω=60 J/mm2,送粉器转速M=3 r/min,所制备熔覆层稀释率η=24.1%。NiCoCrAlYSi激光熔覆层表面相结构及微观组织形貌分析表明,熔覆层由γ相组成,其表面存在枝晶偏析、成分分布不均匀以及气孔夹杂等冶金缺陷,同时在枝晶臂处发现富Nb第二相组织存在,熔覆层内部存在位错及交叉位错墙结构。HCPEB辐照处理后NiCoCrAlYSi激光熔覆层表面发生(111)晶面择优取向,形成致密均匀的重熔保护层,熔覆层表面冶金缺陷得到修复并出现大量交滑移及超细晶结构,晶界处存在Y2Al相富集。力学性能测试结果表明,HCPEB辐照后样品表面显微硬度及摩擦磨损性能均优于原始熔覆层,其中24次辐照参数下熔覆层力学性能表现最佳。900℃温度下Na2SO4/K2SO4熔融盐中热腐蚀实验结果表明:原始NiCoCrAlYSi激光熔覆层热腐蚀100 h后,TGO表面产物为疏松多孔NiCr2O4并产生大面积剥落,熔覆层内部出现大量内氧/硫化腐蚀产物,熔覆层高温耐Na2SO4/K2SO4熔融盐腐蚀性能较差。相比之下,HCPEB辐照处理后的熔覆层热腐蚀100 h后,TGO依旧为致密连续的双层结构,底层为平直连续的A12O3保护膜,无明显剥落失效现象,熔覆层内部无明显内氧/硫化产物。热腐蚀动力学结果表明,HCPEB辐照处理前后熔覆层在Na2SO4/K2SO4熔融盐腐蚀环境下的热腐蚀速率下降一个量级。900℃温度下Na2SO4/NaCl混合熔融盐中热腐蚀实验结果表明:热腐蚀100 h后,原始NiCoCrAlYSi激光熔覆层表面氧化物疏松多孔,大部分区域发生严重剥落露出底部基体面层,同时发现内氧/硫化现象极为严重,腐蚀深度高达18 μm。而HCPEB辐照处理后的熔覆层TGO表面为紧密排列无缺陷的Ni(Al,Cr)204保护膜,耐Na2SO4/NaCl熔融盐热腐蚀性能良好。热腐蚀动力学研究结果表明,HCPEB辐照后试样热腐蚀速率相比原始熔覆层速率降低75%。显然,HCPEB辐照技术是改善NiCoCrAlYSi激光熔覆层表面微观结构状态,并提高其力学性能及高温耐热腐蚀性能的有效处理方法。
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