激光冲击作用下CoNiCrAlY粘结层高温氧化和热腐蚀行为研究

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涡轮发动机在航空航天领域发展迅速,涡轮发动机热端部件的高温氧化和热腐蚀的防护较为重要。热障涂层(TBCs)能够提高热端部件抗高温氧化和耐腐蚀性能,而表面强化技术能够使粘结层表面晶粒细化,促进Al、Cr等元素选择性氧化,快速生成致密的氧化膜,从而进一步提高了热障涂层的抗氧化和耐腐蚀性能。本文以GH4169高温合金为基底,采用大气等离子喷涂(APS)制备CoNiCrAlY粘结层,利用激光冲击表面改性技术对 CoNiCrAlY 粘结层进行表面改性处理。分析了激光冲击后粘结层的微观组织和力学性能变化,研究了激光冲击强化前后粘结层的抗高温氧化及热腐蚀行为,并分析了激光冲击对粘结层抗高温氧化和耐热腐蚀性能的影响规律。主要的研究如下:  (1)通过激光冲击强化技术对等离子喷涂 CoNiCrAlY 粘结层进行表面改性。对其激光冲击参数进行优化,选取最优激光能量为15 J,其表面凹坑比较明显,且内部光滑,没有出现凹痕等缺陷。  (2)利用激光冲击强化技术对等离子喷涂CoNiCrAlY粘结层微观组织和力学性能进行了有效调控。等离子喷涂 CoNiCrAlY 粘结层存在大量的未熔融和半熔融态颗粒,呈现典型的堆叠层状结构。激光冲击后的粘结层表面的孔洞明显减少,并产生8~30μm厚度的塑性变形区,粘结层发生晶粒细化,细化后的γ/γ′相均匀分布在塑性变形区。粘结层表面最大显微硬度达到494 HV,提高了75.8%,最大表面残余应力为-385 MPa,提高了286.9%。  (3)对不同冲击次数下激光冲击前后的粘结层进行1000℃恒温氧化实验。氧化100 h后,喷涂态和抛光态粘结层表面氧化膜主要以(Ni,Co) (Cr,Al)2O4为主, TGO较为疏松。经过1次激光冲击后的粘结层表面氧化膜主要以Al2O3和NiAl2O4为主,TGO较为致密,主要为Al2O3,呈单一结构。当激光冲击次数增加到3次时,氧化膜主要以NiAl2O4为主,TGO呈双层结构,氧化膜未脱落。激光冲击使粘结层晶粒细化,为Al离子的短路扩散提供通道,在较短时间内形成Al2O3层,能够明显提高粘结层的抗高温氧化性能。  (4)对激光冲击前后的粘结层进行不同温度(800℃、900℃)的热腐蚀实验。腐蚀10h后:抛光态粘结层表面氧化物主要以疏松Cr2O3为主,氧化膜发生剥落,TGO呈双层结构。激光冲击后,800℃时粘结层表面氧化物为Al2O3,表现出优异的抗热腐蚀性能。900℃时粘结层中 Al 含量减少,不能充分提供形成Al2O3所需要Al元素,表面生成致密Cr2O3,阻碍了粘结层的进一步腐蚀,提高了粘结层的耐腐蚀性能。
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