DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2000.02.006
溅射Ni-5Cr-5Al纳米晶涂层抗高温氧化性能
中国科学院金属腐蚀与防护研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室!沈阳110015
摘 要:
研究了一种低Cr、低Al的Ni Cr Al系合金Ni 5Cr 5Al (摩尔分数 , % ) 溅射涂层的抗高温氧化性能。结果表明 :虽然Ni 5Cr 5Al溅射涂层在 1 0 0 0℃氧化 2 0 0h后外表面生成NiO , NiAl2 O4和Al2 O3等复杂氧化物 , 但表现出很高的抗高温氧化性能。进一步分析表明 , 这一方面与溅射纳米晶涂层上生成的外氧化物粘附性好有关 , 另一方面与在NiO , NiAl2 O4和涂层之间生成一层完整的α Al2 O3有关。此外还讨论了在Al含量很低情况下Ni 5Cr 5Al溅射涂层Al2 O3的生长机制
关键词:
中图分类号: TG174.4
收稿日期:1999-02-02
基金:国家自然科学基金资助项目! 596 710 6 0;
Oxidation resistance of sputtered Ni-5Cr-5Al nanocrystalline coating
Abstract:
The oxidation resistance of sputtered Ni 5Cr 5Al (mole fraction, %) coating in air at 1 000 ℃ was investigated. The results indicated that NiO, NiAl 2O 4 and α Al 2O 3 complex oxide were formed on the sputtered coating after 200 h oxidation whereas good oxidation resistance was shown. The good oxidation resistance is related to the excellent adhesion shown by the oxide scale and a complete α Al 2O 3 layer formed between the NiO, NiAl 2O 4 layer/coating. The formation mechanism of α Al 2O 3 was studied.
Keyword:
sputtering; nanocrystalline coating; Ni-Cr-Al; oxidation resistance;
Received: 1999-02-02
Ni基高温合金是一种重要的耐高温氧化材料, 广泛应用于燃气轮机叶片等高温部件。 由于其成分复杂, 在研究氧化规律时不可能对众多元素逐一考察。 Ni-Cr-Al合金是其基本组成部分, 对简单的Ni-Cr-Al系合金进行研究对于判断外氧化膜的组成及抗高温氧化性能极为有益。
国内外的学者已经对铸态普通晶粒Ni-Cr-Al系合金的高温氧化规律进行了研究并建立了相应的氧化物分布图
1 实验方法
Ni-5Cr-5Al合金经真空感应冶炼, 加工成380 mm×127 mm×6 mm的溅射用靶及15 mm×10 mm×3 mm的试样。 采用平面磁控溅射仪制备涂层。 溅射前试样用砂纸磨至600#, 喷砂, 超声波清洗。 溅射工艺参数为: 氩气分压0.2 Pa, 功率2 kW, 基体温度250 ℃。 溅射涂层成分与基体基本相同。 溅射涂层厚度约50 μm。
静态氧化实验在1 000 ℃空气中进行, 共200 h。 每隔20 h从炉中取出试样冷至室温, 然后称量。 天平感量0.1 mg。
用原子力显微镜 (AFM) 来判断涂层晶粒尺寸, 用X射线衍射, 扫描电镜及能谱分析方法对氧化产物的成分, 相结构及表面形貌进行综合分析。
2 实验结果
2.1溅射涂层AFM形貌
溅射Ni-5Cr-5Al涂层为典型的柱状结构, 与文献
2.2氧化动力学曲线
图2为铸态Ni-5Cr-5Al及其溅射涂层在1 000 ℃的氧化动力学曲线。 在氧化初期 (20 h) , 溅射涂层氧化增质要大于铸态合金, 这主要与溅射涂层的快速氧化过程有关。 随后铸态合金氧化增质则大大高于溅射涂层, 这与铸态合金在氧化过程中发生失稳氧化有关, 即早期生成的氧化膜不断剥落而造成对合金的不断氧化。 而溅射涂层氧化增质随后趋于平缓, 氧化200 h后表面平整光洁, 无氧化膜剥落现象, 表明溅射涂层抗高温氧化性能优异。
图1 溅射Ni-5Cr-5Al涂层AFM形貌
Fig.1 AFM image of as-sputtered Ni-5Cr-5Al coating
图2 Ni-5Cr-5Al合金及其溅射涂层氧化动力学曲线
Fig.2 Oxidation kinetics curves of Ni-5Cr-5Al alloy and its sputtered coating
2.3氧化膜相结构
图3为溅射Ni-5Cr-5Al涂层在1 000 ℃氧化不同时间后X射线衍射结果。 氧化1 h后氧化物主要由NiO组成, 含少量NiAl2O4。 氧化20 h后NiAl2O4增多, 而且α-Al2O3也开始生成。 200 h氧化后, α-Al2O3已很多, 并与NiO和NiAl2O4组成外氧化物。 这表明溅射Ni-5Cr-5Al涂层在Al, Cr量很少的情况下不能生成单一氧化物组成的氧化膜, 而是生成由多种氧化物组成的氧化膜。 在这种情况下溅射涂层仍能表现出优异的抗高温氧化性, 这可能与氧化膜的结构有一定关系。
图3 溅射Ni-5Cr-5Al涂层氧化不同时间后XRD结果
Fig.3 XRD spectra of sputtered Ni-5Cr-5Al coating after different times of oxidation
2.4氧化膜表面形貌及断面分析
图4 (a) 为溅射Ni-5Cr-5Al涂层氧化200 h后氧化膜外表面形貌。 在氧化膜上可同时观察到NiO和NiAl2O4的存在, 没有观察到α-Al2O3, 但根据X射线衍射结果, α-Al2O3是存在的。 图4 (b) 为溅射Ni-5Cr-5Al涂层氧化200 h后氧化膜的断面形貌, 可以看到涂层表面有一层致密氧化膜, 对这层氧化膜进一步观察发现它由两层氧化物组成, 能谱分析表明上面一层为NiAl2O4, 下面一层为Al2O3, 如图5所示。 这表明一层致密α-Al2O3存在于NiO, NiAl2O4和涂层之间。 由于这一层α-Al2O3的保护使得溅射Ni-5Cr-5Al涂层表现出很高的抗高温氧化性能。
3 讨论
溅射纳米晶涂层生成的氧化膜可以通过扩散蠕变来消除氧化过程中产生的生长应力和热应力, 从而具有很好的粘附性
图4 溅射Ni-5Cr-5Al涂层氧化200 h后的表面形貌 (a) 和断面形貌 (b)
Fig.4 Morphology of sputtered Ni-5Cr-5Al coating after 200 h oxidation (a) —Surface; (b) —Cross-section
图5 溅射Ni-5Cr-5Al涂层氧化200 h后氧化膜的断面形貌及能谱分析
Fig.5 Cross-section morphology (a) and corresponding EDAX results (b) of sputtered Ni-5Cr-5Al coating after 200 h oxidation
根据1 000 ℃Ni-Cr-Al系合金氧化物分布图
根据铸态普通晶粒Ni-Cr-Al合金生成Al2O3规律, 对溅射Ni-5Cr-5Al纳米晶涂层氧化膜生长过程可作如下分析: 由于Ni-5Cr-5Al纳米晶涂层中Cr和Al含量较低, 在氧化初期先发生Ni的氧化, 生成NiO。 溅射Ni-5Cr-5Al涂层晶粒非常细小, NiO在表面很快聚集长大, 这时通过NiO传输的氧量减少。 虽然氧活度降低, 但由于Al, Cr与Ni相比具有较低的形成自由能
4 结论
1) 溅射Ni-5Cr-5Al涂层1 000 ℃氧化200 h后表面生成NiO, NiAl2O4和Al2O3复杂氧化物, 在NiO, NiAl2O4和涂层之间为一层完整致密的α-Al2O3。
2) 由于氧化膜很好的粘附性以及一层Al2O3的保护, 溅射Ni-5Cr-5Al涂层表现出优异的抗高温氧化性能。
3) Al2O3层的形成与氧化初期生成一层NiO和NiAl2O4后所造成的氧分压降低以及Al相对浓度提高有关。
参考文献