添加活性元素y对溅射k38纳米晶涂层高温腐蚀行为的作用机制

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1、一纠2㈣辨⑨天津大薯博士学位论文■_，·IlBIIIBfllIk"l-：'lj：ilIIL'I■I．】1、一一级学科：些兰三堡量壅查学科专业：坐兰三三作者姓名：三蔓指导教师：至垩壑墼堡天津大学研究生院2007年12月添加活性元素Y对溅射K38纳米晶涂层高温腐蚀行为的作用机制E髋ctofReactiveElementYttriumontheHighTemperatureCorrosionBehaviorofSputteredNanocrystallineCoatingofNi—basedK38Superalloy专业：化学工艺研究生：于萍指

2、导教师：王亚权教授天津大学化工学院二零零七年十二月摘要镍基K38高温合金是用于制造燃气轮机中的叶片材料，溅射与基体相同成分的纳米晶涂层在高温氧化中表现出优良的性能，同时添加微量活性元素也可以起到提高合金抗高温氧化和腐蚀的作用。本文在K38铸造合金和磁控溅射K38纳米晶涂层中分别加入不同含量(O．05，0．1，0．5wt．％)活性元素Y，通过TGA，SEM／EDS，XRD，EPMA等手段研究了K38高温合金及涂层的800．10000C恒温氧化及9000C和10000C循环氧化行为、9000C熔融硫酸盐及含氯化钠熔盐热腐蚀行为，并讨论了纳米体

3、系与活性元素Y协同作用的腐蚀防护机理。添加活性元素Y可促进Al的选择性氧化，减少或抑制内氧化，提高氧化膜的粘附性。随着Y添加量的增加，合金氧化膜A1203体积分数增加。添加0．1vvt．％Y可有效抑制内氧化，使内氧化物A1203发展成连续的外氧化物。但当Y含量达0．5wt．％时，合金中析出富Y相，形成局部瘤状氧化物。纳米晶涂层可形成0【．A1203为主的连续氧化膜。不含Y的涂层表面有Ti02氧化物突起，并有局部内氧化。添加0．05％和O．1％Y的涂层不形成表面Ti02和内氧化物，氧化速率降低，氧化膜粘附性提高，涂层使用寿命延长。但当Y含量

4、达到0．5Ⅲ．％时，表面有Ti02生成，氧化速率显著增加，循环氧化性能变差。在9000C熔融硫酸盐中，含Y合金能形成连续的内层氧化铝膜，降低了腐蚀速率，阻碍了内硫化物的形成。无Y涂层表面能形成连续的氧化铝外层膜，显著提高了高温腐蚀抗力。涂层中添加活性元素Y进一步提高了表面氧化铝膜的保护性。添加0．5wt．％Y的涂层比低Y含量涂层性能更佳，在熔融硫酸盐中腐蚀200小时后其表面氧化铝膜仍具有良好的保护性。在9000C涂盐(75％Na2S04+25％NaCl)条件下，0Y，0．05vvt．％Y和0．1叭．％Y涂层遭受了严重氯化．氧化，腐蚀60小

5、时后表面氧化膜发生大量剥落。0．5wt．％Y纳米晶涂层在腐蚀120小时后，表面富Al氧化膜依然完整、致密，具有良好的保护性。这可能是因Y的氯化反应阻碍了氧化膜／盐膜界面的其它合金组元氯化物的形成，减少了涂层中有益组元的消耗，提高了表面氧化铝膜的化学稳定性。关键词：K38高温合金，纳米涂层，活性元素钇，高温氧化，热腐蚀ABSTRACTNi．basedsuperalloyK38hasbeenusedasmaterialsforbladesandvanesinmoderngasturbines．Nanocrystallinecoatings，d

6、epositedbymeansofsputteringandhavingthesamechemicalcompositionsasthesubstrates，exhibitexcellentresistanceagainsthightemperatureoxidation．Additionofminoramountsofreactiveelementsinalloyswasreportedtobebeneficialtotheresistanceagainsthightemperatureoxidationandhotcorrosion．

7、Inthisthesis，reactiveelementYwithdifierentcontentswasaddedinthecastsuperalloyK38andthesputterednanocrystallinecoatingsofK38．Theisothermaloxidationbehaviorinairat800，900and1000oC，aswellasthecyclicoxidationbehaviorat900andl0000C．andthehotcorrosionbehavioreitherinthemixedmol

8、tensaltof75、机％Na2S04+25wt％K2S04orintheairwiththesaltdepositofmixed75wt％Na2S04+25wt％NaClat900oCwe