熱機用金屬材料高溫氧化與防護

目錄
第1章 熱機用高溫材料概述 1
1.1 熱障涂層系統(tǒng) 4
1.2 熱障涂層的陶瓷層 4
1.3 熱障涂層的粘結層 6
1.3.1 MCrAlY涂層 6
1.3.2 擴散性鋁化物涂層 9
1.4 高溫合金 11
1.4.1 合金中的活性元素 12
1.4.2 活性元素的分布 12
1.4.3 活性元素對氧化層生長速率的影響 13
1.4.4 活性元素對氧化層粘結性的影響 14
參考文獻 14
第2章 腐蝕與防護的熱力學基礎 17
2.1 引言 17
2.2 氧化的熱力學條件 18
2.3 標準生成自由能-溫度圖 19
2.4 氧化動力學 22
2.4.1 氧化初期 22
2.4.2 擴散控制的氧化層生長 23
2.4.3 重量變化和氧化物厚度 25
2.4.4 常見金屬氧化率的差異 26
2.5 合金的氧化 28
2.5.1 內氧化和外氧化 28
2.5.2 保護性氧化層的形成 29
2.5.3 合金長期使用的氧化參數(shù) 31
2.5.4 合金和涂層表面形成Al2O3型保護層 32
2.5.5 合金表面保護層的生長與失效 35
參考文獻 37
第3章 ODS型FeCrAl合金的氧化行為 39
3.1 ODS型FeCrAl合金的制備 39
3.2 實驗樣品制備 40
3.3 Ti對ODS型FeCrAl合金氧化行為的影響 41
3.3.1 氧化動力學分析 41
3.3.2 表層氧化鋁的微觀結構 41
3.3.3 氧化示蹤實驗結果 47
3.3.4 Ti對活性元素Y分布的影響 49
3.4 ODS型FeCrAl合金在Ar-20%O2中的氧化行為 50
3.4.1 Y含量對合金氧化動力學的影響 50
3.4.2 Y含量對合金表面成分分布的影響 51
3.4.3 Y含量對表面氧化鋁微觀組織的影響 53
3.4.4 合金在Ar-18O2中的氧化示蹤實驗 59
3.4.5 氧化鋁晶界上Y和Ti的分布 60
3.5 ODS型FeCrAl合金在Ar-4%H2-7%H2O中的氧化行為 61
3.5.1 合金的氧化動力學 61
3.5.2 活性元素Y對合金表層成分分布的影響 63
3.5.3 Y含量對合金氧化鋁微觀形貌的影響 64
3.5.4 含水/氫氣氣氛對氧化鋁晶界上Y和Ti的分布的影響 68
3.6 ODS型FeCrAl合金在Ar-1%CO-1%CO2中的氧化行為 68
3.6.1 含碳氣氛中的合金氧化動力學 68
3.6.2 含碳氣氛中的合金表層成分分布 70
3.6.3 含碳氣氛中的合金表面氧化鋁微觀結構 71
3.6.4 18O示蹤實驗分析 76
3.6.5 含碳氣氛對氧化鋁晶界上Y和Ti的分布的影響 78
3.7 Ti對合金表面氧化鋁生長機制的影響 80
3.8 氧化釔含量對合金氧化鋁層生長機制的影響 84
3.8.1 活性元素Y在氧化鋁晶界上的作用 85
3.8.2 氧化氣氛的成分對合金氧化鋁生長機制的影響 88
3.9 本章小結 89
參考文獻 89
第4章 鋁硅高溫防護涂層 93
4.1 高溫干燥空氣下鋁硅涂層的氧化 94
4.1.1 實驗內容 95
4.1.2 氧化動力學測試 96
4.1.3 金相樣品的制備 96
4.1.4 高溫干燥空氣下鋁硅涂層氧化動力學分析 96
4.2 高溫干燥空氣下鋁硅涂層微觀形貌 98
4.2.1 熱浸鍍涂層樣品的表面微觀形貌 99
4.2.2 熱浸鍍涂層樣品的截面微觀形貌 101
4.2.3 結果討論 103
4.3 高溫水蒸氣下鋁硅涂層的氧化 107
4.3.1 樣品的制備 107
4.3.2 氧化動力學測試 108
4.3.3 高溫水蒸氣下鋁硅涂層的氧化動力學分析 108
4.3.4 高溫水蒸氣下鋁硅涂層微觀形貌分析 110
4.4 結果討論 114
4.5 本章小結 120
參考文獻 121
第5章 溫度對鉑改性鋁化物涂層氧化的影響 123
5.1 材料與制備 123
5.2 實驗 126
5.2.1 等溫與非連續(xù)等溫氧化 126
5.2.2 循環(huán)氧化 126
5.3 分析和測試方法 127
5.4 原始鉑鋁粘結層 127
5.4.1 900℃熱障涂層的氧化 128
5.4.2 1000℃熱障涂層的氧化 130
5.4.3 1100℃熱障涂層的氧化 132
5.4.4 低活度鉑鋁粘結層的氧化 133
5.4.5 高活度鉑鋁粘結層的氧化 136
5.4.6 1150℃熱障涂層的氧化 141
5.4.7 鉑鋁粘結層的熱生長層微觀結構比較 142
5.4.8 溫度對鉑改性鋁化物粘結層氧化的影響 146
5.5 本章小結 149
參考文獻 150
第6章 表面處理對粘結層的高溫氧化影響 152
6.1 鉑鋁粘結層氧化后的結構特征 152
6.1.1 原始樣品 152
6.1.2 噴砂處理對氧化鋁表面形態(tài)的影響 156
6.1.3 拋光處理對鉑鋁粘結層氧化的影響 160
6.1.4 YSZ陶瓷層對TGO生長的影響 167
6.1.5 氧化鋁厚度與時間的函數(shù)關系 170
6.1.6 小結 174
6.2 熱生長層起伏機制 175
6.2.1 非連續(xù)等溫氧化 175
6.2.2 1100℃循環(huán)氧化 178
6.2.3 1100℃等溫氧化 180
6.2.4 1150℃循環(huán)氧化 182
6.2.5 TGO起伏的RMS比較 183
6.2.6 TGO起伏的L/L0比較 185
6.2.7 TGO起伏的W比較 188
6.2.8 小結 190
6.3 熱生長層內應力變化機制 190
6.3.1 非連續(xù)等溫氧化與循環(huán)氧化的內應力 191
6.3.2 時效對內應力的影響 196
6.3.3 表面拋光對內應力的影響 197
6.3.4 溫度對內應力的影響 198
6.3.5 氧化鋁失效的力學解釋 200
6.3.6 小結 202
6.4 活性元素對粘結涂層的高溫氧化影響 202
6.4.1 添加活性元素的合金樣品成分 203
6.4.2 活性元素合金氧化動力學 204
6.4.3 活性元素合金高溫氧化的斷面結構 205
6.4.4 NiPtAl(Hf)合金高溫氧化的斷面結構 207
6.5 本章小結 208
參考文獻 210
第7章 ODS型MCrAlY合金涂層的氧化行為 212
7.1 氧化氣氛對ODS型CoNiCrAlY合金涂層氧化行為的影響 212
7.1.1 涂層在Ar-20%O2中的氧化行為 212
7.1.2 涂層在Ar-4%H2-2%H2O中的氧化行為 216
7.2 不同彌散強化相對ODS型CoNiCrAlY合金涂層氧化行為的影響 220
7.2.1 厚度為2mm的涂層的氧化行為 220
7.2.2 厚度為0.6mm的涂層的氧化行為 227
7.3 ODS型CoNiCrAlY合金涂層氧化機制研究 229
7.3.1 氧化鋁彌散強化相對合金涂層氧化速率的影響 229
7.3.2 模擬計算CoNiCrAlY粘結層氧化鋁層的生長 231
7.3.3 彌散強化相及含量對CoNiCrAlY粘結層氧化機制的影響 236
7.4 本章小結 240
參考文獻 241
附錄A 晶粒寬度計算 242