Cr2AlC涂层的制备、表征及其性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李静静 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李美栓 |
| 关键词 | 涂层 Cr2AlC 氧化 微观结构 非晶晶化 coatings Cr2AlC oxidation microstrutaure crystallization |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | " 施加高温防护涂层是提高合金基体抗高温腐蚀能力的一种有效途径。高温防护涂层良好的高温抗氧化能力主要由其中的Al元素在氧化过程中生成具有保护性的Al2O3氧化膜来实现，而其抗热腐蚀性能则主要依赖于涂层中Cr元素的存在。三元层状陶瓷Cr2AlC，其中既含有Cr元素又含有Al元素。因此，它同时具有良好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能。此外，Cr2AlC还具有与高温合金相匹配的热膨胀系数。这意味着当Cr2AlC作为高温合金表面的防护涂层来使用时，匹配的热膨胀系数可以显著降低涂层和基体之间产生的热应力，从而抑制涂层在服役过程中的开裂和剥落。综合以上的特点，Cr2AlC在高温防护涂层方面具有潜在的应用前景。本文采用磁控溅射沉积制备了Cr2AlC涂层；研究了沉积温度对所沉积涂层微观结构的影响；并对不同沉积温度下得到的Cr2AlC涂层的高温抗氧化行为和氧化过程中涂层性能退化进行了研究。最后，为了进一步提高Cr2AlC涂层的沉积速率和致密度，首次尝试了利用多弧离子镀沉积技术和后续热处理来制备Cr2AlC涂层。得出的主要结论如下： 1.) 利用磁控溅射方法以块体Cr2AlC作为靶材分别在370oC和500oC沉积温度下制备出了Cr2AlC涂层。涂层致密、光滑且具有很强的(110)择优取向。实验发现沉积温度对Cr2AlC涂层的微观结构具有显著的影响。370oC下沉积得到的涂层呈现明显的三层结构，分别由α-(Cr,Al)2O3内层，非晶中间层和晶态Cr2AlC层所组成。而500oC下制备的涂层则呈现简单的单层结构，由单相、晶态Cr2AlC组成。对涂层形成机理进行研究发现，370oC下所制备涂层的三层结构的出现主要是由于较低的沉积温度和沉积过程中溅射室内O的污染所导致。 2.）对500oC下制备的单相Cr2AlC涂层在900-1100oC下空气中的抗氧化性能进行了研究。实验发现单相Cr2AlC涂层在900-1100oC空气中氧化时的动力学曲线遵循抛物线规律。在所研究的温度区间内，Cr2AlC涂层的氧化速率小于相应的Ni基高温合金M38G，表明Cr2AlC涂层可以改善M38G高温合金的抗氧化性能。氧化过程中，Cr2AlC涂层表面可形成连续、致密的Al2O3氧化层。Cr2AlC发生Al的选择性氧化，这与其独特的晶格结构和成键特性有关。与此同时，氧化引起的Cr2AlC中Al元素的消耗造成了Cr2AlC的分解和Cr-C的生成。此外，氧化过程中Cr2AlC涂层发生了内氧化和内氮化现象，这主要是由于Cr2AlC涂层中大量存在的柱状晶晶界所造成的。此外，内氧化和内氮化的发生会促进Cr2AlC中Al的消耗，增加涂层的氧化增重，使得实验中所测量到的Cr2AlC涂层的氧化速率高于相应的Cr2AlC块体材料。 3.）对370oC下所制备的三层结构的Cr2AlC涂层在900-1100oC的高温抗氧化性能进行了研究。900-1100oC空气中氧化时三层结构的Cr2AlC涂层的氧化速率要小于相应的M38G高温合金，这意味着在所研究的温度区间三层结构的Cr2AlC涂层可以改善M38G高温合金的高温抗氧化性能。三层结构的Cr2AlC涂层与单层Cr2AlC涂层和块体Cr2AlC的氧化机理相类似。氧化过程中均会发生Al的选择性氧化生成具有保护性的Al2O3氧化膜。而氧化过程中Al元素的消耗则会进一步导致Cr2AlC向Cr-C的相转变。与单相Cr2AlC涂层的氧化结果相类似，三层结构的Cr2AlC涂层的氧化速率要比相应的块体材料高。这主要是由于涂层氧化过程中θ-Al2O3的生成，有限的涂层厚度以及涂层的柱状晶结构所导致的。与单层Cr2AlC涂层不同，三层结构的Cr2AlC涂层中(Cr,Al)2O3内层和中间非晶层的存在、较弱的(110)择优取向和基体的良好的抗氧化性能，使得三层结构的Cr2AlC涂层在氧化过程中Al元素消耗减缓，并抑制了内氮化的发生，进而导致了三层结构的Cr2AlC涂层在1000和1100oC空气中氧化时的氧化速率小于单层结构的Cr2AlC涂层。 4.）370oC下所制备的具有三层结构的Cr2AlC涂层在900-1100oC空气中氧化后，表面发生了非常严重的开裂现象。网状的裂纹穿透整个涂层的厚度形成贯穿性的裂纹。声发射监测发现，涂层的开裂起始于加热阶段，其初始开裂温度约为590oC。拉曼光谱测量的结果表明，Cr2AlC涂层在加热至600oC时会存在一反常的压应力上升。对三层结构的Cr2AlC涂层不同亚层内的热应力状态进行了计算，表明涂层的开裂并非起因于大的热应力。考虑到600oC时非晶层发生晶化会导致该层体积变化，该部分应力远远大于此时存在的热应力。这一结果表明Cr2AlC涂层在氧化过程中开裂主要是由于中间非晶层在氧化过程中晶化产生大的内应力所导致的。而Cr2AlC涂层的初始开裂温度（590oC）也与前人所测量得到的非晶Cr2AlC的晶化温度基本一致，这为非晶层晶化引起的Cr2AlC涂层的开裂提供了另一个佐证。 5.） 以反应热压的块体Cr2AlC作为靶材，采用多弧离子镀并结合后续热处理获得了以Cr2AlC为主相的Cr-Al-C涂层。实验发现，采用多弧离子镀在室温下沉积得到的Cr-Al-C涂层为非晶态。与所用Cr2AlC靶材的化学成分相比，Cr-Al-C涂层中存在较多的C缺位，这主要是由于反溅效应所导致的。此外，在沉积态的Cr-Al-C涂层中，还观察到了由于涂层制备过程中样品的旋转所引起的成分调制的纳米片层结构的出现。对沉积得到的Cr-Al-C涂层在620oC退火处理后即可得到晶态的涂层。涂层以Cr2AlC为主相，同时含有AlCr2和少量的Cr7C3。退火处理后的Cr-Al-C涂层中的AlCr2的出现主要是由于Cr-Al-C涂层中的C缺位所导致的。" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64453]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李静静. Cr2AlC涂层的制备、表征及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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