《热喷涂NiAl金属间化合物涂层的稀土改性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热喷涂NiAl金属间化合物涂层的稀土改性（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六届全目表面工程学术套议兰州2 0 0 6 年8 月热喷涂N 认l 金属间化合物涂层的稀土改性杨勇，王铀，闫牧夫( 哈尔滨工业大学材料科学系)摘要：在热喷涂喂料中加入稀土或同时加入稀土与其它合金元素，通过抑制N i A l 金属间化合物的室温脆性，可以制备出有一定厚度的、完好连续的、均匀致密的N i A l 金属间化合物涂层，可以使N i A l金属间化合物涂层的硬度、耐磨性、热振抗力和防渗碳能力大幅度提高。1 、引言不论是进行现代化建设、还是应对现代化战争都对材料提出了更高的要求。比如，从飞机火箭发动机到发电用的燃气轮机，为提高工作效率都需要提高工作温度。而钴基、镍基等传统的耐热合金，几乎
2、已达到其性能的极限，难以满足更高温度下使用的需要。而有序金属间化合物因其具有强度大、熔点高、比重轻的特点，尤其在1 0 0 0 摄氏度左右的高温环境下仍保持较高的强度和腐蚀抗力等优异性能，使之成为最具潜力的新型高温合金。于是，人们开始在研究开发金属间化合物材料方面投入了相当大的努力，使得金属间化合物研究在近一二十年始终作为国际材料界研究的热点之一。与此同时，金属间化合物被作为表面防护涂层方面的研究也一直受到关注，其中，热喷涂金属间化合物涂层就是许多研究者们感兴趣的领域之一 1 2 】。金属间化合物主要是指不同金属元素组成的有序固溶体，是指不同种类的原子长程有序排列构成的有较确定化学当量比的合金
3、相。它们的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度较小，因此是理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的金属问化合物有T i A l 、T i 3 A 1 、N i A l 、N i 3 A 1 、F e A l 、F e 3 A 1 等。然而，由于这类材料的室温塑性和韧性一般较差，加工性能也较差，结果一直限制着金属间化合物材料的实际应用。金属间化合物研制过程的最主要目标，就是在其主要优点不受很大损失的前提下，尽量改善其塑性、韧性及加工性，最终使之得以工程实际应用【3 - 4 】。正是由于金属间化合物存在着室温塑性和韧性差的问题，也给用热喷涂方法制备金属间化合
4、物涂层过程带来了困难。通常很难制备出合乎要求较为满意的金属间化合物涂层，尤其象在制备倒A l 或N i A l 这样较脆的涂层过程中，当热喷涂火焰刚刚移走而冷却到室温时涂层就立即脆裂脱落，难以获得完整的具有一定厚度的涂层。虽然近二十年来年，国内外材料科学工作者和工程技术人员想了各种办法来解决金属间化合物材料的室温脆性问题，并取得了一些成绩，如通过晶粒细化、通过宏、微合金化以达到强韧化等，但还是达不到应用的要求。我国在8 6 3 计划的支持和引导下在金属间化合物的使用化方面也大大缩短了与世界先进国家的差距，但对于更具有竞争性的T i 舢、N i A l 基合金，距离工程化尚存在较大差距。在用热喷
5、涂方法制备金属间化合物涂层方面的研究工作就更是非常有限。近年来，我们在热喷涂金属间化合物涂层方面做了一些探索并取得了一些较好的结果，有关内容将在下文简单介绍。2 、解决N 认I 金属间化合物室温脆性的途径N i A l 金属间化合物材料就是一种典型的有序二元合金，它具有较高的熔点( T m = 1 6 3 8 0 C ，比镍基高温合金高出约2 5 0 0 c 以上) ，较高的密度( 5 8 6 9 c m 3 是镍基高温合金的2 3 ) ，导热性好( 是镍基高温合金的4 - 8 倍) ，以及较高的杨氏摸量( 7 6 W m l K l ) 和优异的抗氧化性能。然而，限制N i A I金属间化合
6、物作为高温材料使用的最大障碍就是其室温塑性和韧性差 3 - 5 。针对这个问题，世界各国的材料科学家在近二十年间想出许多办法，试图有所突破。这些努力主要集中于三个方面：( 1 ) 在铸造过程中加入第三组元，作为塑性韧性相形成N i A l 基三元或多元合金，如N i A I C o 、第六届全目表面工程学术套议兰州2 0 0 6 年8 月N L A I C r 、N i + A I + F e 或N i + A l + F e + C c r 合金等。以这种方式在合适的组元配比下有一定的收效，但是增加塑性和韧性却常伴随着一些所需高温性能的下降。在这方面，如何能在提高室温塑性和韧性的同时不牺牲合
7、金的强度和高温性能还是个有待解决的问题。 ( 2 ) 用粉末冶金方法制成三元或多元N 认堪复合材料，女 I N i + A I + Z x 、N i + A I + Z r 、N i + A 】+ c O 、或N i + A I + T i C 等。一些研究工作者也开始通过高能球磨机械合金化和随后的粉末冶金方法来制备纳米尺度晶粒的三元或多元N i A l 基复合材料。这方面比较突出的工作应属金属研究所的郭建亭等人和墨西哥和加拿大的A l b i t e r 等人 4 - 6 。如后者通过高能球磨加粉末冶金的方法制得含有& ，G a 和M o 的晶粒约5 0 n m 大b 的纳米N 雌属问化合物
8、基合金。他们的工作表明，A I + 4 2 N i + 6 F e 合金在1 2 0 0 0 C处理3 0 n l i n 后的室温应变可达到2 2 ，同时压缩屈服强度约为1 6 7 8 M P a 。但这种方法工艺复杂、致密性不易保证、且成本较高，若所制出的合金用于高温工况下必然存在纳米晶粒的长大问题，于是各项性能指标就有可能明显改变，遗憾的是相关的研究实在太少，目前尚不能回答这个问题。( 3 ) 添加微量合金元素进行N i A l 金属间化合物的微合金化改性是二十年以来一直努力的方向。自从发现加入B 对室温塑性有明显改善以后，研究者们已经尝试了许多种合金元素，如F e 、C r 、C o
9、、M o 、Z r 、G a 、H f 、T i 、W 等。在这方面，加入微量稀土元素的效果目前是最好的。徐祖耀- 等A 7 】在铸造时将2 0 0 p p m 的N d 力入N 谶中，经过1 1 5 0 0 C 7 2 x 时的加热，然后淬火至室温油中，得到的N i A I合金具有7 8 的压缩应变。还有的工作也通过采用微合金化的方法使N 认1 金属间化合物的室温延性超过了5 ，但却以牺牲大约5 0 的强度为代价。微合金化改性方法可以直接应用于铸造过程，所添加的合金元素是非常少的，也不必担心因晶粒长大带来的性能变化，如果选择好所用的微合金化元素或微合金化元素组合将是一种简易而有效的改性途径。
10、但通过微合金化使室温塑性和韧性提高的程度还不够理想，还很难使室温塑性达到1 0 。3 、稀土协同强韧化N 认l 金属间化合物最近，我们和加拿大阿尔伯塔大学合作，在铸造过程中采用稀土协同强韧化改性技术获得了较好的结果，使金属间化合物( N i A I ) 的室温延性达到1 0 以上( 结果示于下面表1 ) ，为解决了金属间化合物室温脆性大而限制其应用的问题找到了一条新途径，能在保证高强度的同时成功地提高金属间化合物材料的室温塑性【8 】。表1 ：N i A I 金属间化合物合金的压缩性能C o m p r e s s i v ep l a s t i c A H o yO 2 C Y SU C
11、S s t r a i n ( ) N m4 6 2 2 55 2 7 3 40 铀0 3 【4 】N i A l C e4 8 0 ，5 9 07 1o 6 9 04 0 ，4 4I S 】N i U C r6 5 0 ，6 4 5 ，7 1 08 3 5 ，8 3 0 ，7 9 02 2 ，2 5 ，2 6 【8 】N i p 蛆C e - C r4 9 5 ，5 0 0 ，4 9 0 9 8 8 ，8 3 3 ，8 2 01 0 0 ，1 0 4 ，1 3 2 【8 】我们的研究发现，单独采用一种微合金化元素C r 或C e 的作用远远不如采用这两种微合金化元素的协同作用，其协同效果绝对
12、是1 + 1 2 。尽然这只是稀土协同合金化在金属问化合物领域的初步应用尝试，但所得到的结果应当是令人鼓舞的，将有助于加快金属间化合物材料的实际应用。不过，这方面还有待于进行较详细深入的研究工作，以揭示稀土协同强韧化改性的机制。4 、稀土改性N i A ! 金属间化合物热喷涂涂层第六届全圈表面工程学术会议兰州2 0 0 6 年8 月在用于热喷涂的u 金属间化合物粉末喂料中添加稀土C e 与元素c c 进行稀土协同强韧化，可以得到一定厚度的连续完好均匀致密而性能优异的N 认l 金属间化合物涂层【9 】。图1 示出了加与不加稀土C e 与元素C r 的H v o F 热喷涂金属问化合物涂层。可见，
13、在同样工艺条件下若不加入稀土C e 与元素C r ，高温合金表面形成的N i A I 涂层仅有1 0 m m 左右，且涂层中有大量脆性裂纹存在。相比之下，加入稀- l - C e 与元素C r 可以形成大于2 ( X ) m m 厚的均匀致密的涂层。图lH V O F 热喷涂N i A I 金属间化合物涂层：( a ) N i A I ；( b ) N i A l + C e + C r图2H V O F 热喷涂N i A I 金属间化合物涂层的硬度和冲蚀磨损试验结果图2 给出了用H V o F 热喷涂制备的N i A l 金属间化合物涂层的硬度和冲蚀磨损试验结果。图中P C R A 为单独添
14、) b I C r 的N i A l 涂层，P C E A 为单独添J J I C e 的N i A l 涂层，而P C E C R 为同时添加稀土C e 与元素C r 的N i A l 金属间化合物涂层。可以看到，添加稀土C e 与元素Cr _ 所获得的N i 舢涂层具有最高的硬度和最低的冲蚀磨损率，其冲蚀磨损抗力较N i A l 涂层提高了4 倍以上。而且，稀土C e 的加入可以使N i A l 金属间化合物涂层的热振性能大幅度提高，我们的工作表明加入适量的C e 可使涂层的热振抗力提高近2 0 倍 1 0 ，11 】。图3 为N i A l 涂层和N i A I + C e + C r
15、涂层在1 1 0 0 高温渗碳1 0 0 d x 时后的显微组织照片。可以看出薄的不致密的N i A l 涂层不能阻挡碳的渗入，而加人c e 和c r 的N i A l 涂层则可以完全阻挡住碳渗入高温合金基体，起到防渗碳作用。不过，在这种长时间的高温作用下，涂层与基体之间出现了开裂。于是，我们通过采用过镀层较好地解决了这一问题。图4 给出了在同样条件下高温长时间渗碳后的有过渡层的加入C e 和C r 的N i A l 金属间化合物涂层的显微组织照片。5 、结语在热喷涂过程中采用稀土改性或稀土与其它元素协同改性，可通过抑制金属间化合物室温脆性而获得高质量的金属问化合物涂层。这种方式制备的金属间化
16、合物涂层具有高硬度、高耐磨性、高热振抗力和优良的高温防渗碳效果。01；，西-苗-co一oL山侣侣住8642Ozlz8是2母c20誊第六届全罔表面工程学术垒嗽兰州2 0 0 6 年8 月图3N i A I 涂层( a ) 和N i A l + C e + C r 涂层( b ) 在I i 0 0 。C 高温渗碳l O O d 、时后的显微组织图4 有过渡层的N i A I + C e + C r 涂层在i i 0 0 。C 高温渗碳1 0 0 d 、时后的显微组织参考文献：1 五m o n ，S t e e la n dh i g h - t e m p e r a t u r ea l l o y s ，N a t u r e ，2 4 0 ( 1 9 7 2 ) 1 3 2 2 A I T a u ba n dR L F l e i s c h e r , S c i e n c e 2 4 3 ( 1 9 8 9 ) 6 1 6 - 6
