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無錫國勁合金有限公司
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閱讀：129發布時間：2017-2-10
隨著“大推重比”這一*燃氣渦輪發動機發展趨勢的日益明顯,渦輪葉片的工作溫度在持續升高,這必然對葉片上擔負高溫防護功能的熱障涂層金屬粘結層的服役性能提出了更高要求;然而,當前常用的包覆型MCrAlY涂層所形成的以氧化鉻為*組分或主要組分的保護性氧化膜在高溫氧化和熱腐蝕環境中極易揮發,其高溫防護性能難以滿足越來越高的服役溫度要求。可見,研制新型高溫防護性能更優異的熱障涂層金屬粘結層已成為當務之急。鑒于傳統鋁化物涂層憑借NiAl金屬間化合物優異的熱穩定性一直在高溫防護領域中扮演著重要角色,本文基于國內外研究現狀的分析,提出采用激光熔覆技術在鎳基高溫合金表面直接制備以β-NiAl相為主要成分的NiAl涂層,并在其中引入不同含量的納米CeO2,從而進一步改善其高溫防護性能,文中較為系統地分析了不同含量納米CeO2改性NiAl涂層與原始NiAl涂層（未添加納米CeO2的NiAl涂層）的微觀組織與顯微硬度,并從組織晶粒細化、親氧元素擴散、β-NiAl相轉變以及氧化膜生成機制等角度研究了高溫環境下納米稀土的納米/活性元素效應對激光熔覆NiAl涂層高溫防護性能的影響。本文的重點研究方向及初步成果包括以下5個方面:（1）以稀釋率為評價指標,綜合熔覆層表面平整性和橫截面幾何尺寸,對GH4033表面激光熔覆Ni Al涂層的工藝參數進行探索,分析了激光功率、掃描速度、壓片厚度等單一性工藝參數對熔覆層成形質量的影響,并通過正交實驗優化獲得了本文實驗條件下以大光斑直徑制備NiAl熔覆涂層的*工藝參數,即激光功率950W、掃描速度300mm/min、壓片厚度0.5mm。（2）通過分析不同含量納米CeO2（1.5wt.%、3 wt.%、4.5 wt.%）改性NiAl涂層及原始NiAl涂層的微觀組織（包括結晶形態、晶粒尺寸、物相組成、顯微硬度等）,初步探討了不同含量納米CeO2對NiAl涂層組織演變的影響及其規律。研究表明:納米CeO2改性NiAl涂層與原始NiAl涂層相比,其幾何形狀由典型的雙弧狀變為扁平狀,涂層中的氣孔、偏析等缺陷消失,晶粒被細化,涂層的顯微硬度也更加均勻,涂層中主要物相成分為β-NiAl相,其中以添加3wt.%納米CeO2對涂層組織的改性效果zui為明顯。（3）考察了不同含量納米CeO2（1.5wt.%、3wt.%、4.5wt.%）改性NiAl涂層及原始NiAl涂層在1200℃高溫環境下的氧化行為。研究結果表明:相比于原始NiAl涂層,納米CeO2明顯改善了NiAl涂層的抗氧化性能,其親氧元素的擴散速度亦遠小于原始NiAl涂層。等溫氧化100h后,氧化膜與涂層的界面處未見明顯疏松,而且此時氧化膜基本上由Al2O3構成。從氧化動力學曲線可以看出,加入3wt.%納米CeO2的NiAl涂層的氧化增重zui為平緩,即加入3wt.%納米CeO2的NiAl涂層的抗氧化性能,這與其對涂層組織的影響是一致的。（4）考察了不同含量納米CeO2（1.5wt.%、3wt.%、4.5wt.%）改性NiAl涂層及原始NiAl涂層在1150℃高溫環境下的熱腐蝕行為。研究結果表明:原始NiAl涂層經過80h熱腐蝕后,涂層表面出現了一定程度的疏松現象,涂層表面氧化膜已經基本脫落,涂層內腐蝕嚴重;而添加CeO2后,涂層表面形成了以α-Al2O3-Cr2O3為主的固溶氧化物體系,涂層內腐蝕的深度減小,其表面無明顯的脫落和隆起。本文實驗結果顯示3wt.%納米CeO2改性后的NiAl涂層具備較好的抗熱鹽腐蝕性能。（5）考察了不同含量納米CeO2（1.5wt.%、3wt.%、4.5wt.%）改性NiAl涂層及原始NiAl涂層在1000℃高溫環境下的熱震行為。研究結果表明:原始NiAl涂層經過30次熱震循環后,其表層以及涂層與基體的界面處均出現了裂紋,而納米CeO2改性后的NiAl涂層在界面處無明顯裂紋,其表層裂紋也很少,可見納米稀土通過改善涂層組織進而大大抑制了涂層熱沖擊裂紋的形成。本文實驗結果顯示3wt.%納米CeO2改性后的NiAl涂層具備較好的抗熱震性能。
為解決300km/h以上高速列車核心部件剎車片目前在我國仍依賴進口的現狀,本文通過對摩擦材料的基體、摩擦組元、潤滑組元以及制備工藝的設計,進行了對高速列車制動閘片耐磨性、摩擦系數及穩定性、導熱性等關鍵技術指標的系統研究,成功制備出了滿足時速380km/h高速列車制動要求的銅基粉末冶金剎車片,進行了1：1臺架試驗,結果*鐵路聯盟(UIC)及中鐵認證中心(CRCC)的要求?；w組分中添加不同種類、粒度及含量的Fe粉強化基體時,添加粒度為dso=75μm的霧化鐵粉含量為22wt%左右時的摩擦材料微觀結構致密,強度高,耐磨性好,但是隨Fe粉含量增加,材料導熱性下降。由于A1203彌散強化銅導熱性好、高溫強度好及耐磨性好,材料中加入適量A1203彌散強化銅粉可提高基體的耐磨性,且當A1203彌散強化銅含量小于30wt%時,基體連續性好,基體與摩擦組元和潤滑組元的結合界面孔隙少,超過30%時顆粒之間孔隙明顯增加,含量為10wt%～30wt%時剪切強度zui高為25MPa、導熱系數zui高為48.1W/m·K、摩擦系數zui高為0.256,磨損量zui低達0.009mm/次·面,此時主要以氧化磨損為主,表面氧化膜較完整。不同摩擦組元對摩擦材料摩擦系數及穩定性有較大影響,傳統的陶瓷摩擦組元A1203與基體金屬潤濕性差,結合不牢固,容易從基體中脫落,A1203粉表面鍍銅后,A1203顆粒與基體間的結合緊密,不容易脫落,提高了材料的摩擦系數及穩定性,但顆粒與基體的結合仍是機械結合,高速下仍會脫落,導致摩擦系數仍較低。加入不同碳含量的CrFe,發現其與基體間均存在一定固溶度,結合緊密,在高速摩擦時仍結合牢固不易脫落,摩擦系數隨轉速提高先降低后增加,且與鍍銅A1203粉相比,以高碳CrFe為摩擦組元的材料摩擦系數提高12%以上,摩擦系數穩定性提高10%以上,含量為6wt%。石墨具有良好的高溫潤滑作用,在摩擦材料中是*的,但是石墨與銅基體潤濕性較差,隨石墨含量增加摩擦材料宏觀疏松程度增加,耐磨性先增加后降低,研究表明石墨含量為11wt%～13wt%時綜合性能,但材料導熱性、力學性能降低。論分析與模擬計算對摩擦材料的導熱性進行了研究,結果表明石墨垂直于摩擦表面取向分布可使材料導熱性明顯提高,表面溫度明顯降低。針對高鐵剎車片表面溫升的問題,對石墨取向性進行了實驗研究,結果表明：石墨沿垂直于摩擦面方向取向后,材料基體連續性提高,摩擦表面上無暴露大片石墨,且表面石墨分布均勻,材料導熱系數提高了1倍以上,表面zui高溫度平均降低了60℃,摩擦系數降低1%但仍符合要求,摩擦系數穩定性提高了14%以上,線磨損量降低10%以上通過對壓制壓力、燒結溫度和燒結壓力的設計,得出了*制備工藝。根據成分研究結果制定的配方,制得的摩擦材料硬度(HRR)為62(進口件56),剪切強度為43.2MPa(進口件22.4),導熱系數為122.4W/m·K(進口件44.2)。經中鐵檢驗認證(常州)機車車輛配件檢驗站有限公司1：1臺架試驗檢測,結果表明：所制備高鐵剎車片平均磨損量為0.05cm3/MJ小于國外樣品(0.133cm3/MJ);摩擦系數高且穩定,380km/h制動時仍在規定范圍內；表面zui高溫度612℃：坡道連續制動摩擦系數比進口件高,且連續制動時表面溫度比進口件低；所有測試數據均滿足CRCC大綱要求,結果表明研制出的剎車片具備CRH380A型車的裝車條件。
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