脉冲电子束作用下MCrAlY激光熔覆层组织结构调控及高温服役性能

In order to improve the high temperature resistance and service life of heat-resisting stainless steel that are used as key components of turbine, the MCrAlY coatings prepared by laser cladding technique are deposited on the surface of stainless steel. To solve the challenge of high roughness of MCrAlY cladding coatings and uncontrolled grown of thermally grown oxide (TGO) generated during the process of high temperature service, this project is devoted to present a new route to polish and purify the surface of cladding coatings by high current pulsed electron beam (HCPEB). Based on this, surface alloying induced by HCPEB irradiation is also studied. The research can realize the controlled grown of TGO by reducing the surface roughness and adjusting the microstructures and component distribution. The influence of the microstructures of cladding coatings on the grown of TGO by systematical structure characterization will be investigated. Additionally, the mechanism of the service performance at high temperature by adjusting the microstructures of cladding coatings after HCPEB treatment will be also explored. Subsequently, we are planning to develop a new method to prepare laser cladding coatings with improved high temperature performances by establishing the relationships among microstructures, controlled grown of TGO and the performance of cladding coatings.This research can present some necessary theoretical and technical supports for improving the service life, reliability and comprehensive performance of laser cladding coatings.

本项目以提高汽轮机关键部件高强度耐热钢抗高温能力及使用寿命为主要目标，利用激光熔覆技术在其表面制备MCrAlY涂层，针对MCrAlY熔覆层表面粗糙度大及高温服役过程中热生长氧化物(TGO)非受控生长的难题，拟利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对其表面进行抛光及净化处理，并在此基础上进行脉冲电子束表面合金化研究。通过在微观层面上有目的地调控熔覆层表面粗糙度、组织结构及成分分布，实现对TGO生长行为的有效控制；通过精细的结构表征，探寻HCPEB改性熔覆层微观结构对TGO层生长与演化行为的影响规律，在此基础上重点研究TGO微观控制生长对涂层性能的改善机制，建立HCPEB改性熔覆层微观结构-TGO受控生长-高温氧化与热腐蚀性能三者之间的关系，进而提出一种新的提高激光熔覆层高温服役寿命的制备方法，为设计寿命更长、可靠性更好、综合性能更强的MCrAlY高温保护涂层提供必要的实验依据和理论基础。

针对激光熔覆MCrAlY涂层表面粗糙度大及高温服役过程中热生长氧化物(TGO)非受控生长的难题，本课题采用激光熔覆技术在304奥氏体不锈钢、17-4PH马氏体不锈钢基体上制备了组织致密、无宏观缺陷 (如裂纹、气孔等) 的MCrAlY涂层，利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术对其表面进行抛光及净化处理，并在此基础上研究了强流脉冲电子束作用前后涂层的高温氧化与热腐蚀性能。. 微观结构分析表明：NiCoCrAlY激光熔覆层主要由γ/γ’相构成，表面存在典型的枝晶偏析现象；HCPEB 辐照处理后熔覆层的冶金缺陷消失，表面发生重熔，且重熔层厚度随辐照次数的增加而逐渐增加，与此同时，HCPEB 辐照处理后熔覆层表面机械性能得到了显著提高。. 高温氧化行为分析表明：高温环境下，辐照前后的NiCoCrAlY均形成了热生长氧化层（TGO），氧化前期，原始涂层表面形成了疏松多孔且有微裂纹的TGO，其成分与厚度都不均匀，熔覆层内部出现了点状内氧化现象；氧化中期熔覆层出现了尖晶石团簇现象；氧化后期主要以混合氧化物为主，并伴随着严重内氧化，表层出现大面积的开裂与深层次的剥落，局部区域基体裸露在外，氧化膜完全失效。HCPEB辐照后涂层表面形成一个相当平坦且连续的TGO，而且 TGO主要呈双层结构，即表层的Cr2O3和次表层的Al2O3。随着氧化反应的进行，TGO层逐渐增厚且生长均匀，有效延长了涂层在高温下的服役寿命。. 热腐蚀性能分析表明：NiCoCrAlY涂层在650℃、75wt.%Na2SO4+25wt.% NaCl熔融盐进行热腐蚀反应过程中，TGO起着重要作用。HCPEB辐照前，涂层热腐蚀产物主要是Al2O3和Cr2O3的混合氧化物。随着腐蚀时间的增加，涂层表面保护膜逐渐被破坏，出现了内氧化并且涂层内部发生了硫化反应。HCPEB辐照后，涂层产生的TGO连续、致密，几乎没有产生严重的内氧化腐蚀。随着腐蚀时间的增加，TGO由厚变薄再变厚，当腐蚀时间为70h和100h时，TGO发生部分脱落，但依旧连续、致密的覆盖于涂层表面，没有产生严重的内氧化腐蚀。 . 本项目的研究结果可为揭示各种激光熔覆工艺和HCPEB表面处理条件MCrAlY 涂层的失效机制、提高MCrAlY 涂层的高温氧化和腐蚀抗力提供必要的实验和理论储备。