MAX相增强Ni基高温合金涂层的制备及组织性能研究

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航天航空和燃气轮机等领域的严苛环境对材料的性能提出了更高的要求,尤其是以镍基高温合金为代表的材料在的宽温域内的摩擦磨损问题,抗磨减磨和耐高温成为其显著特点,传统固体润滑剂已经难以适应严苛的使用环境,目前的解决办法主要是通过添加从低温到高温的不同润滑剂来实现宽温域的连续润滑,或者是通过化合反应等生成氧化膜或其他高温润滑剂起到协同润滑的作用。针对传统润滑剂在高温高速条件和宽温域内连续润滑的设计难点,本研究利用一种新型的三元层状化合物Cr2AlC(MAX相)兼具金属和陶瓷的优异特性,设计并制备了不同Cr2AlC含量的Ni5Al/Cr2AlC复合涂层,详细研究了Cr2AlC对镍基高温合金涂层组织及性能的影响,实现了镍基高温合金的强韧一体化和宽温域的连续润滑,并探讨了磨损机理。(1)采用粉末冶金方法制备了Cr2AlC粉体材料,纯度达到了99.5%,采用等离子喷涂方法制备了不同Cr2AlC含量的镍基高温合金涂层,研究了其力学性能、抗高温氧化性能和机械性能。结果发现:显微硬度值由141.47HV0.2(0wt.%Cr2AlC)增大到214.24HV0.2(30wt.%Cr2AlC),提高了51.4%;抗高温氧化试验表明加入Cr2AlC会提高涂层抗氧化性能,NC1(10wt.%Cr2AlC)涂层效果最好,NC2(20wt.%Cr2AlC)和NC3(30wt.%Cr2AlC)因内部产生微裂纹抗氧化性能下降;涂层在1300N压力下的三点弯曲试验研究发现,随着Cr2AlC的增加,涂层在室温下的机械性能变差,产生纵向裂纹。(2)研究了Cr2AlC添加量对复合涂层宽温域(室温~800℃)摩擦学性能的影响,结果表明:NC1复合涂层在整个宽温域拥有最低的摩擦系数和磨损率。NC1和NC0(0wt.%Cr2AlC)摩擦系数具有基本相同的变化规律,在200℃时下降,400℃时略微升高,随后NC1涂层持续下降,这得益于表面复合氧化膜的抗磨减磨作用,磨损机理由疲劳磨损逐渐变为轻微粘着磨损;NC0摩擦系数逐渐升高,磨损机理由氧化磨损和脆性断裂逐渐变为塑性变形;NC2(20wt.%Cr2AlC)和NC3(30wt.%Cr2AlC)涂层摩擦系数随着温度升高而降低,磨损机理由疲劳磨损逐渐变为磨粒磨损,四组涂层磨损率均呈现先上升后下降的趋势。(3)对800℃等温热处理的涂层进行摩擦学性能测试发现,四组涂层硬度的提高导致磨损率均大幅下降,NC1涂层因为硬质相的钉扎作用和表面光滑的釉质层具有最好的摩擦性能。模拟了复合涂层在Na Cl溶液中的腐蚀摩擦环境,研究表明四组涂层的磨损率均比干摩擦条件下降低一个数量级,随着Cr2AlC的增加,磨痕处钝化层逐渐完整且光滑,表明Cr2AlC具有一定的耐腐蚀性能。
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