文摘

高速氧燃料过程(技术)是一种先进的热喷涂涂层工艺中使用的涂料在组件涡轮机。HVOF喷涂过程是一种热喷涂方法,被广泛用于应用磨损,腐蚀,腐蚀防护涂料工业中使用的组件的涡轮机。25% (Cr₃C₂-25 (Ni20Cr)) + NiCrAlY涂料一直喷基于三个涡轮材料,即Ti-31 superco - 605, mdn - 121。涂层和裸基板受到热循环条件下腐蚀研究。每个周期由1小时加热在800°C紧随其后的是空气冷却20分钟。重力测量完成后每个周期和一块体重增加周期数的函数。抛物线速率常数估计腐蚀行为的理解。是观察涂层Ti-31和mdn - 121相比,裸的有抵抗力。裸superco - 605进行溅射涂层在腐蚀研究,因此比较和裸superco - 605是困难的。的横断面分析腐蚀,涂层样品表示一层薄薄的氧化铬的存在规模上的涂层,它的更好的耐蚀性。抛物线速率常数也表明,涂层更有利于Ti-31比mdn - 121。

1。介绍

超合金广泛应用于燃气涡轮发动机,尤其是在燃烧区受到高温和长时间的工作时间(1- - - - - -3]。热腐蚀已成为一个主要的降解机制(固体盐类沉积组件类型我热腐蚀)在涡轮机中操作等级较低的化石燃料(4- - - - - -6]。保护组件从退化和延长他们的寿命,涂料常用的燃气涡轮机的叶片和叶片(7]。

使用机械混合碳化物合金粉末作为涂层材料是高度承诺(8]。金属陶瓷系统像Cr₃C₂-NiCr涂层应用程序来说是一个强有力的竞争者,要求更高的磨损,磨损和耐磨性。Cr₃C₂传授磨损,磨损,耐磨性和NiCr充当金属粘结剂提供必要的涂层的韧性。它还具有良好的热导率,因此有助于减少冷却需求。合金、NiCrAlY、在涂料应用中用于传授抗氧化性能和减少热涂层和基体之间的不匹配(9,10]。合金、NiCrAlY作为债券在热障涂层系统(涂层)减少热膨胀系数的不匹配(11,12]。(Cr₃C₂-NiCr) + NiCrAlY涂料提供了更好的结合磨损,磨损,腐蚀,抗氧化性能,较高的工作温度高达850°C,和最小压力接口由于热膨胀不匹配在热循环(13,14]。尽管一些研究表明利用Cr令人满意的结果₃C₂-NiCr混合涂料体系,仍然存在很多争论在最艰难阶段/成分/矩阵比获得最佳性能必不可少的高温涂层系统(14- - - - - -16]。这个调查是使用硬质合金的合金粉末25 wt % (Cr₃C₂-25 (Ni20Cr)机械与NiCrAlY合金粉末混合(75%按重量)作为高温涂层材料的应用。

涂层性能的影响不仅是粉末的性质也大大使用喷雾过程和参数(17,18]。在这个调查,高速氧燃料(HVOF喷涂)过程用于涂料喷涂。与其他喷涂料相比,如火焰喷涂、等离子喷涂技术或喷涂生产涂料有更好的粘结强度与基质(17- - - - - -20.]。

目前的调查是为了评估HVOF喷涂的熔盐腐蚀喷洒25% (Cr₃C₂-25 (Ni20Cr)) + NiCrAlY合金涂层Ti-31, superco - 605和mdn - 121在800°C循环条件下的存在Na₂所以₄-50% v₂O₅盐的混合物。

2。实验

2.1。衬底材料和涂料配方

合金Ti-31 superco - 605和mdn - 121作为基质材料,在目前的研究。衬底材料的等效ASTM标准ASTM B338 5年级,ASTM F90-09,和ASTM A565 Gr616,分别。从MIDHANI购买材料,海得拉巴,印度,在滚形式。衬底材料的名义化学成分表1。标本的尺寸大约25毫米×25毫米×5毫米被削减,地面,随后喷砂喷涂之前与氧化铝粉末(45毅力)HVOF喷涂涂料的过程。这样做是为了增强涂层的附着力衬底。标本制备手动没有任何结构性变化。图1显示了三种基质的显微图用于HVOF喷涂涂料。

基于商用金属陶瓷粉末(铬)是用作HVOF喷涂原料合金喷涂。原料的细节和HVOF喷涂涂层合金用于表2。生产的粉末是机械混合类型和M / s Sultzer Metco有限公司涂料喷在赶等离子体产业,印度坎普尔。一个Metco DJ2600(印度)枪是用于喷粉。喷雾参数用于HVOF喷涂喷氧流量:270行分钟;液化石油气流量:70行分钟;空气流量:700行分钟;喷雾距离:约20厘米;送粉速度:50克/分钟;燃油压力:7公斤/厘米²;空气压力:5.5公斤/厘米²;氧气压力:10公斤/厘米²;氮气(粉携带气体)压力:5公斤/厘米²。在技术或喷洒,标本与压缩空气冷却。

2.2。熔盐热腐蚀试验

热腐蚀研究实验室在800°C的碳化硅管式炉的精度±5°C。试样的物理维度记录仔细用游标卡尺,评估他们的表面积。随后,标本丙酮清洗和干燥加热的热空气通过船和标本在烤箱150°C约30分钟,去除水分。均匀厚度的涂层应用于干表面,使用骆驼毛刷,裸露的基板和HVOF喷涂涂层表面。涂料混合物Na₂所以₄-50% v₂O₅(重量比)和覆盖范围是3 - 5毫克/厘米²。在准备实验标本保存在一个铝船和船的重量和样品测定。热腐蚀研究,在循环条件下,熔盐环境中进行以上组成。的测试进行了50周期,每个周期由1小时加热在800°C碳化硅管式炉在空气中冷却20分钟紧随其后。

测量体重改变值在每个周期,目的是了解腐蚀的动力学。视觉观察了每个周期结束后对颜色、光泽,或任何其他氧化尺度形成的物理方面。的重现性实验建立了重复实验。裸的腐蚀产物(裸)和HVOF喷涂涂层材料进行了分析通过使用x射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)和能量色散x射线光谱仪(EDX)来揭示他们的微观结构和成分特征起因和腐蚀机制。

3所示。结果与讨论

3.1。分析涂层试样

图2显示光学涂层的宏观图标本,即涂布Ti-31,涂布superco - 605和涂布mdn - 121。深灰色的涂层出现的颜色。涂层光滑,粗糙度测量使用一个基于笔的profilemeter显示Ra值在6 - 8的范围μm。涂层表面的典型形态特征图所示3表明,涂层部分熔融和resolidified。报告相似的形态学特征在HVOF喷涂喷涂料由Sidhu et al。20.- - - - - -22],Lotfi [23),和元et al。24]。显微照片图3显示了碳化铬的存在颗粒分布在矩阵与融化倪丰富。没有毛孔和蛀牙高度渗透向衬底。偶尔裂缝观察,但是他们仅局限于顶面。EDX涂料的分析表明,涂层是富含铬和镍,一定量的氧化发生在技术或喷洒。通过浆纱切片涂层金相抛光和使用扫描电子显微镜观察,涂层厚度测量的范围和厚度在300 - 310μm。一个典型的横截面显微图如图4。涂层相当密集,HVOF喷涂涂料的特性是典型的。我们看到部分熔融液滴撞击基片表面,突然间固化。长条木板的形成主要取决于影响粒子的速度、温度、氧化程度,和化学复杂性的粒子25,26]。substrate-coating接口是好的。仅观察到小蛀牙。良好的涂层和基材之间联系也表明,冷却的长条木板层是快25]。没有直接的通道穿过涂层和允许衬底接触到大气中。

图4也显示了层流模式在HVOF喷涂喷涂涂层的沉积。涂料是沉积在一个固定底物通过移动HVOF喷涂枪(光栅)和所需的厚度是通过不同数量的经过。横截面的显微图如图4黑暗区域对应的孔隙度和孔隙。孔隙是可见的,同时在涂层和coating-substrate接口。类似的微观结构特性HVOF喷涂喷涂料报道Sidhu et al。21,27]。EDX分析表明,涂层厚度在不同地点是丰富的元素,如镍、铬、和艾尔。明显的峰值对应于铬碳化物是可见的阴谋。

图5显示结果的XRD分析涂料喷在不同的基质。2θ倒影清晰地表明,涂层是丰富的镍和铬的氧化物。与XRD的最初使用粉我们得出结论,在喷涂粒子发生了氧化以及部分熔融。这些氧化物主要是镍和铬的氧化物。Neiser et al。28)报道,中元素的氧化热喷涂是由运输现象。

3.2。热腐蚀研究涂层和裸基板

3.2.1之上。视觉观察和热重分析

裸Ti-31样品的宏观图,superco - 605, mdn HVOF喷涂喷25% (Cr - 121和₃C₂-25 (Ni20Cr)) + NiCrAlY Ti-31涂料,superco - 605和mdn - 121合金进行热腐蚀的Na₂所以₄-50% v₂O₅在800°C环境50周期如图6。有人指出有形成氧化物表面的鳞片Ti-31从第一周期本身;在23日周期,表面出现褐色。严重的剥落的氧化尺度从31日周期开始观察。superco - 605的表面开始变得灰色的颜色而mdn - 121的表面开始变成闪亮的灰色的颜色。as-sprayed涂料的颜色是灰色变成褐色的颜色在第一次接触盐环境的循环。

累积的情节体重增加(毫克/厘米²)作为时间的函数表达裸基板的周期图所示7(一)金属陶瓷涂层基板图7 (b)。在裸Ti-31 mdn - 121,年底体重增加50周期是75.8和2.7毫克/厘米²,分别。裸superco - 605表现出减肥期间的热腐蚀研究结果强烈的氧化剥落和溅射的规模。剥落和溅射也使它难以衡量整体体重增加。女子和普拉卡什29日和辛格et al。30.)报道,规模superco - 605 Na₂所以₄-60% v₂O₅非常容易开裂。此外,Anuwar et al。2]报道体重增加约72毫克/厘米²60后的循环热腐蚀在750°C的Na₂所以₄-60% v₂O₅裸Ti-31。

整体的价值50周期的热腐蚀后体重增加了25% (Cr₃C₂-25 (Ni20Cr)) + NiCrAlY涂布Ti-31 superco - 605和mdn - 121被发现是1.5,1.3和1.25毫克/厘米²,分别。虽然小的差别存在于体重增加对不同涂层基质,所有涂层材料的净体重增加是裸基板相比更少的体重的增加。换句话说,金属陶瓷涂层的基质可以保护熔融Na的袭击₂所以₄-50% v₂O₅盐的混合物。进一步探索的可能性,体重增加和曝光时间抛物线关系,广场的体重增加(毫克²/厘米⁴)数据绘制作为时间的函数31日- - - - - -34]。他们在图所示8(一个)裸基板,在图8 (b)涂层基质。情节显示明显偏离Ti-31抛物线速率定律。增加数量的周期,“轴“价值迅速增加。这表明在熔盐氧化规模并没有太大的保护环境。很明显从情节如图8(一个)mdn - 121合金近遵循抛物线的行为。抛物线速率常数,Ti-31和mdn - 121和g²厘米⁻⁴年代⁻¹,分别。的抛物线速率常数很小superco - 605,但必须强调体重测量是非常困难由于剥落和溅射的问题。抛物线速率常数,金属陶瓷涂层Ti-31, superco - 605和mdn - 121,,g²厘米⁻⁴年代⁻¹,分别。的报道值上限值计算考虑1到50周期。Kamal et al。13)表明,Cr₃C₂-NiCr涂料在倪和基于有限元的超合金产生的爆炸枪喷涂提高热腐蚀抵抗Na₂所以₄-60% v₂O₅在900°C和估计值是相同的。低价值的也表明,涂层是防止Na₂所以₄-50% v₂O₅环境。涂层变得饱和大约30个周期后涂布Ti-31以及涂布mdn - 121和45个周期后涂布superco - 605。这再次表明,热腐蚀速率随着周期数的增加下降。这种行为是不同的热腐蚀相比,裸露的基板。

3.2.2。x射线衍射分析

x射线衍射模式的规模,接触后盐在800°C环境50周期,如图所示9。在图9(一个),出现在各个阶段裸基板接触盐环境的尺度。天平富含铁的氧化物,铬(腐蚀mdn - 121)的元素,如铬氧化物和有限公司(腐蚀superco - 605)和氧化钛和铝腐蚀Ti-31 ()。补充说,许多其他氧化物(如Na₂O, TiVO₄,我们₃,FeVO₄,菲斯₂)观察到相对较小的阶段。调查在炎热的耐腐蚀的Ti-31 Na₂所以₄-60% v₂O₅在750°C Anuwar et al。2)也指出,钛和铝的氧化物腐蚀的主要阶段的产品。金属陶瓷涂层Ti-31规模,superco - 605, mdn正在研究包括Cr - 121表面₂O₃NiO,₂O₃主要阶段。涂层表面还包括Na₂啊,所以₃、SiO₂,V₂O₅阿尔瓦诺₄,NiCr₂O₄,和合₂O₅作为次要的阶段。热腐蚀的研究等离子体喷₂O₃分散在Na NiCrAlY₂所以₄-50% v₂O₅在800°C,由Sreedhar et al。34]表明阿尔₂O₃、氧化镍、铬₂O₃,NiCr₂O₄腐蚀产物的主要成分。

3.3。SEM和EDX分析

3.3.1。表面分析

裸Ti-31腐蚀表面的形态,superco - 605和mdn - 121图所示10。所有表面相对光滑。腐蚀Ti-31表面显示结节状结构和规模是富钛的氧化物和艾尔。裸superco - 605显示的腐蚀表面泥土表面裂缝和Na的规模与氧化物丰富,年代,Cr、和有限公司的规模的裂缝和高水平的年代也表明,涂层不附着,容易剥落,也观察到视觉检查和重量分析法。铝量不足以形成一个连续的表面上。这里我们有TiO₂规模与当地的补丁₂O₃。在循环加热和冷却过程中,界面会被打开,促进氧化物种的渗透。这导致体重增加的高价值。裸mdn - 121显示广泛的腐蚀表面破碎的鳞片富含铬和铁的氧化物。也指出,存在12%的Cr衬底不足以形成一个完整的耐腐蚀氧化,特别是碳比例是0.2%。因为这个菲也被氧化生成一个不依从规模和涂层得到断绝了,打开在其形成。这导致氧化形成新鲜的尺度和这个过程持续整个循环腐蚀研究。体重增加实验还表明,涂层增长迅速,遵循nonparabolic动力学关系。涂上金属陶瓷涂层腐蚀样品的形态图11。在数据(11日),11 (b),11 (c)的基质Ti-31 superco - 605,分别和mdn - 121。所有三例的形态类似。相似的形态学特征也报道在热腐蚀MCrAlYSiB (M =镍或公司)涂层超合金(35,36]。尽管涂料看起来像破碎的鳞片(板像形态),没有剥落的鳞片。EDX尺度上测量表明,它们富含铬和镍的氧化物。早些时候提出的体重测量表明,相比体重增加更小,在裸基板的情况下。这表明紧密的鳞片涂层表面。Sreedhar et al。34)报道,像形态主要是铬板₂O₃在板块之间NiO和艾尔₂O₃。基于他们的涂料是NiCrAlY Na和热腐蚀环境₂所以₄-50% v₂O₅。表面形成氧化物麦克雷(M =镍或公司)建立涂层在热腐蚀在硫酸存在的电影也出现了江et al。35]。

3.3.2。横截面分析

图12显示了一个横截面的显微照片的一个金属陶瓷涂层试样暴露在热腐蚀环境。显微照片显示了一个明确的氧化层的顶部涂层(箭头)。氧化层薄涂层总厚度相比,表明涂层的主要部分是由热腐蚀环境的影响。形成一层氧化层表面丰富的Cr₃C₂-NiCr涂层和NiCrAl涂层倪和基于有限元的超合金在热腐蚀报告Kamal et al。13江,et al。35],Mahesh et al。37]。氧化层的厚度是不均匀的,是由于异质性的微观结构是由于缺乏完整的融化和不均匀性的初始粉末。同时,HVOF喷涂喷生产涂料,它在本质上是片状的,面向不同的长条木板边界平行coating-substrate接口(8,21,23]。EDX分析(图12(一个))在横截面各点(图完成12 (b))也表明顶层(点1)有丰富的氧化物。这是使用箭头标记“O”映射如图13。在图13映射元素铝、铬和镍也显示。映射显然表明化学成分的不均匀性。涂层成分的不均匀性是归因于在以前解释的原因。

3.4。退化HVOF喷涂喷防护涂料

金属陶瓷,25% (Cr₃C₂-25 (Ni20Cr)) + NiCrAlY机械混合涂料应用了基于三种基质用于燃气轮机使用高速氧燃料(HVOF喷涂)过程及其热耐蚀性进行了研究。结果清楚地表明,相对于裸基板涂层耐腐蚀性能提供了出色的热。这是一个有前途的涂层保护组件开发用于基于化石的涡轮机。

在循环热重量分析腐蚀研究表明,样品重量不断增加(数据7(一)和7 (b))。体重增加更在最初的腐蚀研究的周期和体重降低的程度与连续的周期。更高的体重在腐蚀研究的前几个周期可能是由于快速形成的氧化物晶界和毛孔内的顶部层,由于氧化物种的渗透。后来,氧化物的形成取决于氧的渗透通过现有的氧化层。

热腐蚀合金的抛物线速率常数(Ti-31和mdn - 121)高于金属陶瓷涂层合金(数字8(一个)和8 (b))。裸Ti-31合金经历快速HVOF喷涂喷合金相比体重增加。这是归因于不依从表面形成氧化层。Ti-31的顶部,TiO的混合物₂和艾尔₂O₃形式,分数的₂O₃不足以形成一个连续的表面氧化保护层。氧化物之间的接口是一个简单的路径对氧迁移和在循环加热和冷却界面被打开了。最终结果是一个高水平的裸Ti-31体重增加。即使在机械混合硬质合金涂层样品的情况下,涂层可以减少体重增加了一半以上。观察低抛物线速率常数裸superco - 605是一个工件介绍由于严重的剥落和溅射。据报道,菲的形成₂O₃在热腐蚀到顶层介绍了沉重的压力,促进剥落(13]。在基于Ni超合金,溅射报道Kamal et al。13]。superco - 605合金有3 wt %铁和氧化和引入应变连续层顶部。当压力超过顶层力量,顶层破裂,气急败坏的说。一个大的价值下降涂布mdn - 121衬底裸mdn - 121相比表明,金属陶瓷涂层是mdn - 121合金更有用,而Ti-31合金。

主要是在热腐蚀,腐蚀的物种,形成由于解散硫酸钠反应的顶面涂料,通过接口开始迁移。随着反应的进行,元素,如铁、镍氧化顶部表面,但更重要的是,Cr被氧化成Cr₂O₃。Cr₂O₃形成一个连续的层和传授耐腐蚀特性(32]。连续Cr₂O₃层的顶部涂层不允许进一步氧化物种和金属离子的运输,容易。这减少了可用性的氧气在底层层。由于随着时间的推移,进一步腐蚀会减少。在这个过程中,一些氧化物内部将进行反应形成复杂的化合物。化合物像NiCrO₄,CrVO₄,NiAl₂O₄因为这样的形成反应。

4所示。结论

机械混合金属陶瓷合金、25% (Cr₃C₂-25 (Ni20Cr)) + NiCrAlY合金粉末,成功涂层合金涡轮应用程序中使用,也就是说,Ti-31, superco - 605和mdn - 121合金,使用高速氧燃料的过程。涂层微观结构特性的样本特征。涂层和裸标本受到循环热腐蚀研究800°C条件下Na₂所以₄-50 wt % V₂O₅。体重测量每个周期后进行,结果表明,涂层标本(Ti-31和mdn - 121)显示最低体重增加而裸露的标本。抛物线速率常数估计和涂布标本价值低得多比裸露的标本。它还表明Ti-31,涂层比mdn - 121更有利。更好的防腐涂层基质的形成是由于表层铬和镍的氧化物组成的。在裸superco - 605,有严重的剥落表面在循环腐蚀研究,由于这种比较耐腐蚀涂层和裸基板之间的困难。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。