颗粒增强抗高温腐蚀搪瓷涂层的热学和高温氧化性能研究

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	颗粒增强抗高温腐蚀搪瓷涂层的热学和高温氧化性能研究
	沈明礼
学位类型	博士
导师	王福会 ; 朱圣龙
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	腐蚀科学与防护
关键词	搪瓷涂层析晶热膨胀固相反应高温防护涂层
摘要	"玻璃搪瓷化学性能稳定，涂覆方便，成本低廉，作为高温耐蚀涂层广泛应用于工业和日常生活中。近年来，在钛合金、钛铝金属间化合物和高温合金用抗热腐蚀搪瓷涂层研究方面取得重要成果。特别值得一提的是，采用金属粘接层和颗粒增强方法，改善了搪瓷涂层的抗热震性能，使搪瓷涂层能应用于热膨胀系数比涂层高数倍的镍基高温合金上，极大地促进了搪瓷涂层的发展。但这些研究主要局限于涂层的制备和抗热腐蚀行为方面，对涂层材料的热膨胀和晶化行为、涂层材料与添加颗粒及基体的固相反应等关注很少。本文研制了一种适用于小尺寸试样的热膨胀仪，研究了刚玉以及石英颗粒对搪瓷热膨胀行为和晶化行为的影响，研究了金属、刚玉和石英颗粒与搪瓷釉的高温固相反应行为。在上述研究基础上设计出用于高温合金和钛合金及钛铝金属间化合物的搪瓷-石英/搪瓷-刚玉双层搪瓷涂层。设计了一种基于改进的激光三角法的新型热膨胀仪，结构简单，性能稳定，适用于小尺寸试样的测量。对刚玉、镍、铬、铂、高温合金K38G等几种材料膨胀曲线的实际测量结果表明，通过简单修正，测量得到的材料热膨胀系数与文献报道完全一致。高温下搪瓷釉中的ZnO与NiCrAlY颗粒中的Cr和Al发生置换形成单质Zn，由此产生两种结果：一是形成Zn蒸气引起搪瓷釉发泡；二是Zn固溶进Ni中形成ZnNi固溶体，从而可消除搪瓷釉发泡的现象。 1000oC下，纯搪瓷涂层的析晶顺序为：先形成ZrO2晶核然后转变为ZrSiO4。析晶后，搪瓷釉的热膨胀变化较小，软化点稍有降低。1000oC下，刚玉颗粒与搪瓷釉反应较剧烈，烧制10min后即形成可观的锌尖晶石ZnAl2O4和钠长石NaAlSi3O8，并进而降低了搪瓷釉的高温流动性；刚玉颗粒大大提高了搪瓷釉的软化点，使搪瓷-刚玉烧制困难，烧制后残留较多的孔洞。1000oC下搪瓷釉中，石英颗粒促进了搪瓷釉析出ZrSiO4的速率，石英部分发生溶解，部分转变为方石英；石英以及方石英各自的二级转变引起搪瓷釉的热膨胀行为较复杂；石英颗粒对搪瓷釉的软化点影响较小，但对其软化后的黏度具有显著的影响；搪瓷-石英具有良好的烧制性，组织较致密。在Ni基高温合金K38G上制备的双层搪瓷-陶瓷复合涂层（EC），其外层为搪瓷-50wt%刚玉复合涂层，内层为搪瓷-50wt%石英复合涂层，涂层/基体界面处存在基体元素向涂层内的溶解现象。涂层表面比较平整，虽然在底层搪瓷-刚玉内存在孔洞，但涂层与基体界面结合状况良好无孔洞。900oC、1000oC和1100oC恒温氧化结果表明，EC对氧的扩散具有良好的阻挡作用，促进了基体合金中活性元素Al的选择性氧化，从而在涂层/基体界面处形成一层Al2O3膜，故对基体具有优异的氧化防护作用。1100oC下有溅射NiCoCrAlY粘结层的EC恒温氧化结果表明，EC可以降低EC/NiCoCrAlY界面Al2O3膜的生长速率，因而EC与溅射NiCoCrAlY涂层的配合使用比单一的EC有更好的抗氧化作用。900oC下EC的热震行为表明，涂层有良好的抗热震性能，机制在于热震后涂层内可形成释放应力的弥散分布的微裂纹，裂纹在低软化点的搪瓷-石英面层的作用下发生自愈合。1100oC下EC的循环氧化结果表明，涂层具有良好的抗剥落性能。搪瓷-石英复合涂层显著降低了TA11在1000oC的氧化速率，体现出较好的对氧的扩散阻挡作用，并在涂层/基体界面处形成了Ti5Si3/Ti3Al双层结构，抑制了TA11的吸氧。搪瓷-石英复合涂层同样显著降低了TiAl在1000oC的氧化速率，在涂层/基体界面处形成了复杂的结构：Al2O3/Ti5(Si,Al)3/Al2O3。其中Al2O3层的形成有利于提高涂层的抗氧化性。"
其他摘要	"Glass-ceramic or enamel coatings are widely used as protective coatings against high temperature oxidation and corrosion in industry and daily life due to their chemically stable nature, easy deposition and low cost. Recent years, enamel has been successfully developed as protective coatings for Ti-based alloys, γ-TiAl and superalloys against hot corrosion. It was noted that the thermal shock resistance of enamel would be dramatically improved by a metallic bond coating beneath the enamel and by particle reinforcement of the enamel itself, which made the enamel applicable to Ni-based superalloy whose coefficient of thermal expansion (CTE) is much higher than enamel. Although much work had been done regarding the preparation and the anti-hot corrosion performance of enamel, little work was done regarding the thermal expansion and crystallization behaviors and the solid reaction between enamel and the filling-particle or the solid reaction between enamel and metal substrate at high temperatures, so far. Therefore, in this research, we designed a dilatometer for enamel to study the influence of corundum and quartz particles on the thermal expansion and crystallization behaviors of enamel. The solid reaction between enamel and metal, corundum, and quartz particles at high temperatures were studied. Based on the research results, a bilayered enamel-quartz/enamel-corundum composite coating was designed as high temperature protective coatings for superalloy, Ti-based alloy and γ-TiAl. A novel dilatometer designed for small solid samples was devised based on an improved optical lever. CTE measurements on several reference materials indicated that the measured results were in good consistence with reported values."
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64264
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	沈明礼. 颗粒增强抗高温腐蚀搪瓷涂层的热学和高温氧化性能研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.