欢迎访问沈阳真空杂志社 Email Alert    RSS服务

真空 ›› 2022, Vol. 59 ›› Issue (5): 20-27.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2022.05.04

• 薄膜 • 上一篇    下一篇

沉积真空度对铝化物涂层相结构和高温氧化行为的影响*

王鑫, 甄真, 牟仁德, 何利民, 许振华   

  1. 中国航发北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室,北京 100095
  • 收稿日期:2021-07-22 出版日期:2022-09-25 发布日期:2022-09-28
  • 通讯作者: 许振华,研究员。
  • 作者简介:王鑫(1993-),男,黑龙江省齐齐哈尔人,硕士,工程师。
  • 基金资助:
    *关键技术攻关项目(KH9A200503); 材料专项项目(KH57200513)

Effect of Deposition Pressure on Phase Structure and High Temperature Oxidation Behavior of Aluminide Coatings

WANG Xin, ZHEN Zhen, MU Ren-de, HE Li-min, XU Zhen-hua   

  1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China
  • Received:2021-07-22 Online:2022-09-25 Published:2022-09-28

摘要: 采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)工艺,在沉积真空度为150mbar、200mbar和250mbar的条件下分别在镍基单晶高温合金基体上制备了三种铝化物涂层,研究了沉积真空度对铝化物涂层相结构和高温氧化行为的影响。借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等表征方法系统分析了三种铝化物涂层的相结构、显微形貌和化学组成。结果表明:三种沉积态铝化物涂层的相结构均为β-NiAl相,沉积真空度为200mbar的涂层样品还存在Ni1.04Al0.96和Ni1.1Al0.9双相结构;经1100℃静态氧化后,三种涂层表面均形成了Al2O3,β-NiAl相转变为γ′-Ni3Al相,沉积真空度为250mbar的涂层样品中γ′-Ni3Al相的峰强度最低;三种铝化物涂层的氧化增重速率分别为0.037g/(m2·h)、0.022g/(m2·h)和0.018g/(m2·h),沉积真空度为150mbar的涂层样品氧化增重值大于其他两种涂层样品;沉积真空度越低,涂层表面存在的微观孔洞数量越多,高温氧化后涂层表面所形成的氧化膜越易于萌生显微裂纹和出现氧化膜脱落现象。基于本文试验结果,沉积真空度为250mbar所制得的涂层样品,其显微组织、元素含量和高温抗氧化性能最佳。

关键词: 化学气相沉积, 铝化物涂层, 沉积真空度, 相结构, 高温氧化

Abstract: Three kinds of aluminide coatings were fabricated by chemical vapor deposition(CVD)on the surface of the nickel-based superalloy substrates at the deposition pressure of 150, 200 and 250 mbar, respectively. The effect of deposition pressure on phase structure and high temperature oxidation behavior of the specimens with aluminide coating was systematically investigated. The phase structure, surface morphology and elemental composition of the three kinds of aluminide coatings were analyzed by XRD, SEM and EDS. The results indicate that the phase constituents of three kinds of aluminide coatings are detected to be β-NiAl. Two phases including of Ni1.04Al0.96 and Ni1.1Al0.9 are gained in the coating specimens prepared at the deposition pressure of 200 mbar. After the isothermal oxidation at 1100℃ for different dwelling times, the main phase β-NiAl transforms into γ′-Ni3Al with formation of Al2O3. Differently, the peak intensity of γ′-Ni3Al phase is the weakest for the specimens deposited at the pressure of 250 mbar. The oxidative weight gain rate of the three aluminide coatings is 0.037, 0.022 and 0.018g/(m2·h), respectively. The oxidation weight gain of the coating specimens at the deposition pressure of 150 mbar is correspondingly larger than that of the other two coating specimens. The lower deposition pressure is, the more micropores on the surface of the coating exist,and the more easily microcracks appear on the thin film of the coating surface and further form into the spllation of oxide scale after high temperature oxidation. Based on the experimental results, the coating specimens prepared at deposition pressure of 250 mbar show the best surface microstructure,elemental content and high temperature oxidation resistance.

Key words: chemical vapor deposition, aluminide coating, deposition pressure, phase structure, high-temperature oxidation

中图分类号: 

  • T32
[1] 孙健, 刘书彬, 李伟, 等. 电子束物理气相沉积制备热障涂层研究进展[J]. 装备环境工程, 2019, 16(1): 1-6.
[2] 王飞, 李飞, 李建波, 等. 空心叶片用陶瓷型芯脱芯工艺研究现状[J]. 中国材料进展, 2019, 38(3): 264-270.
[3] 张磊, 吴勇, 顿易章, 等. 采用CVD法制备空心叶片内腔铝化物涂层[J]. 金属热处理, 2019, 44(5): 124-128.
[4] GUEVEL Y L, GREGOIRE B, CRISTOBAL M J, et al.Dissolution and passivation of aluminide coatings on model and Ni-basedsuperalloy[J]. Surf.Coat.Technol., 2019, 357: 1037-1047.
[5] LENG W, PILLAI R, NAUMENKO D, et al.Effect of substrate alloy composition on the oxidation behaviour anddegradation of aluminide coatings on two Ni base superalloys[J]. Corro.Sci., 2020, 167: 108494.
[6] 夏思瑶, 顿易章, 吴勇, 等. CVD法制备铝化物涂层及其对Inconel 718合金高温持久性能及低周疲劳性能的影响[J]. 材料保护, 2020, 53(4): 41-45.
[7] 孙杰, 赵麦群, 陈雪婷, 等. 粉末渗锌工艺对螺纹紧固件渗锌速度及渗层均匀性的影响[J]. 材料保护, 2018, 51(7): 86-90.
[8] 蒙彩思, 火克莉, 陈忠, 等. 渗铝温度/时间对镍基高温合金的渗层形成影响规律[J]. 装备环境工程, 2019, 16(1): 13-16.
[9] XU Z H, WANG Z K, NIU J, et al.Phase structure,morphology evolution and protective behaviors of chemical vapor deposited (Ni,Pt)Al coatings[J]. J.Alloys Compd., 2016, 676: 231-238.
[10] XU Z H, WANG Z K, NIU J, et al.Effects of deposition temperature on the kinetics growth and protective properties of aluminide coatings[J]. J.Alloys Compd., 2015, 632: 238-245.
[11] WANG X, ZHEN Z, HUANG G H, et al.Thermal cycling of EB-PVD TBCs based on YSZ ceramic coat and diffusion aluminide bond coat[J]. J.Alloys Compd., 2021, 873: 159720.
[12] YU Z, DHARMASENA K P, HASS D D, et al.Vapor deposition of platinum alloyed nickel aluminide coatings[J]. Surf.Coat.Technol., 2006, 201(6): 2326-2334.
[13] MOHAZABIE M S Z, NOGORANI F S. The addition of zirconium to aluminide coatings:the effect of the aluminide growth mode[J]. Surf.Coat.Technol., 2019, 378: 125066.
[14] SALDANA J M, SCHULZ U, RODRIGUZ G C M, et al. Microstructure and lifetime of Hf or Zr doped sputtered NiAlCr bond coat/7YSZ EB-PVD TBC systems[J]. Surf.Coat.Technol., 2018, 335: 41-51.
[15] 阳颖飞. Pt改性铝化物涂层的制备科学及性能研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2017.
[16] 鲍泽斌, 蒋成洋, 朱圣龙, 等. 高温防护金属涂层的发展及活性元素效应[J]. 航空材料学报, 2018, 38(2): 21-31.
[17] LIU H, XU M M, LI S, et al.Improving cyclic oxidation resistance of Ni3Al-based single crystal superalloy with low-diffusion platinum-modified aluminide coating[J].J. Mater.Sci.Technol., 2020, 54: 132-143.
[18] 时龙, 辛丽, 王福会, 等. 两种MCrAlY涂层与DD98M合金的互扩散行为[J]. 中国表面工程, 2018, 31(3): 86-96.
[19] NICHOLLS J R, STEPHENSON D J.High temperaturecoatings for gas turbines[J]. Surf.Eng., 1991, 3: 156-163.
[20] 刘九香, 崔向中. 两种MCrAlY涂层/DD6合金的循环氧化和互扩散行为[J]. 航空制造技术, 2017(8): 37-43.
[21] 李佩, 云海涛, 姜嫄嫄, 等. 单晶高温合金NiCoCrAlYTa涂层高温氧化行为研究[J]. 热喷涂技术, 2020, 12(2): 36-40.
[22] FROMMHERZ M, SCHOLZ A, OECHSNER M, et al.Gadolinium zirconate/YSZ thermal barrier coatings: Mixed-modeinterfacial fracture toughness and sintering behavior[J]. Surf.Coat.Technol., 2016, 286: 119-128.
[23] 戴建伟, 易军, 王占考, 等. 单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温氧化行为[J]. 航空材料学报, 2015, 35(5): 32-38.
[24] 张鹏飞, 李建平, 蔡妍, 等. DZ125合金真空电弧镀沉积复合涂层技术[J]. 航空材料学报, 2020, 40(2): 22-27.
[25] DAS D K.Microstructure and high temperature oxidation behavior of Pt-modified aluminide bond coats on Ni-base superalloys[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58(2): 151-182.
[1] 王冬远, 周甜, 陈强, 刘忠伟. 钯金属薄膜制备方法的研究现状与进展*[J]. 真空, 2022, 59(5): 7-13.
[2] 常振东, 张婧, 牟仁德, 刘德林, 辛文彬, 宋希文. NiCrAlYSi粘结层合金相结构与性能研究*[J]. 真空, 2022, 59(4): 41-47.
[3] 王立哲, 蔡妍, 张儒静, 何利民, 牟仁德. 单晶高温合金CVD铝化物涂层对热障涂层高温防护性能的影响*[J]. 真空, 2022, 59(4): 56-63.
[4] 祝维, 陆群旭, 钱维金, 黄卫军, 董长昆. 新型碳纳米管微焦点电子源研究*[J]. 真空, 2022, 59(1): 48-53.
[5] 白明远, 王鑫, 甄真, 牟仁德, 何利民, 许振华. 稀土锆酸盐热障涂层的相稳定性和界面结合性能研究*[J]. 真空, 2021, 58(4): 12-20.
[6] 谭飞, 林松盛, 石倩, 代明江, 杜伟, 汪云程, 吕亮. 电弧离子镀制备NiCrAlY涂层及其抗高温氧化性能*[J]. 真空, 2020, 57(5): 7-10.
[7] 王鑫, 许振华, 彭超, 戴建伟, 甄真, 何利民, 牟仁德. 单晶高温合金铂改性铝化物涂层的高温防护性能研究*[J]. 真空, 2020, 57(3): 11-16.
[8] 李 琳 , 李成明 , 杨功寿 , 胡西多 , 杨少延 , 苏 宁 . 三层热壁金属有机化学气相外延流场计算机模拟[J]. 真空, 2019, 56(1): 34-38.
[9] 周彬彬, 张 建, 何剑锋, 董长昆. 基于 CVD 直接生长法的碳纳米管场发射阴极[J]. 真空, 2018, 55(5): 10-14.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 李得天, 成永军, 张虎忠, 孙雯君, 王永军, 孙 健, 李 刚, 裴晓强. 碳纳米管场发射阴极制备及其应用研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 1 -9 .
[2] 周彬彬, 张 建, 何剑锋, 董长昆. 基于 CVD 直接生长法的碳纳米管场发射阴极[J]. 真空, 2018, 55(5): 10 -14 .
[3] 李志胜. 空间环境下超大型红外定标用辐射屏蔽门的研制[J]. 真空, 2018, 55(5): 66 -70 .
[4] 郑 列, 李 宏. 200kV/2mA 连续可调直流高压发生器的设计[J]. 真空, 2018, 55(6): 10 -13 .
[5] 柴晓彤, 汪 亮, 王永庆, 刘明昆, 刘星洲, 干蜀毅. 基于 STM32F103 单片机的单泵运行参数数据采集系统[J]. 真空, 2018, 55(5): 15 -18 .
[6] 孙立志, 闫荣鑫, 李天野, 贾瑞金, 李 征, 孙立臣, 王 勇, 王 健, 张 强. 放样氙气在大型收集室内分布规律研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 38 -41 .
[7] 黄 思 , 王学谦 , 莫宇石 , 张展发 , 应 冰 . 液环压缩机性能相似定律的实验研究[J]. 真空, 2018, 55(5): 42 -45 .
[8] 纪 明, 孙 亮, 杨敏勃. 一种用于对月球样品自动密封锁紧的设计[J]. 真空, 2018, 55(6): 24 -27 .
[9] 李民久, 熊 涛, 姜亚南, 贺岩斌, 陈庆川. 基于双管正激式变换器的金属表面去毛刺 20kV 高压脉冲电源[J]. 真空, 2018, 55(5): 19 -24 .
[10] 刘燕文, 孟宪展, 田 宏, 李 芬, 石文奇, 朱 虹, 谷 兵, 王小霞 . 空间行波管极高真空的获得与测量[J]. 真空, 2018, 55(5): 25 -28 .