MCrAlY涂層的電化學(xué)退除及再涂覆后氧化性能的深度解析與研究一、引言1.1MCrAlY涂層概述在現(xiàn)代工業(yè)中，高溫環(huán)境下材料的防護(hù)問題一直是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。隨著航空航天、能源電力、石油化工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對材料在高溫復(fù)雜環(huán)境下的性能要求日益嚴(yán)苛。MCrAlY涂層作為一種高性能的高溫防護(hù)涂層，在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為保障高溫部件長壽命、高可靠性運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。MCrAlY涂層中，“M”通常代表Ni、Co或Ni+Co等金屬元素，這些基體元素為涂層提供了基本的強(qiáng)度和韌性。Cr元素在涂層中起著至關(guān)重要的作用，它能夠促進(jìn)氧化膜的形成，有效提高涂層的抗熱腐蝕能力。在高溫含硫等腐蝕性環(huán)境中，Cr可與硫等腐蝕性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化合物，阻止腐蝕進(jìn)一步深入。Al元素是形成保護(hù)性氧化膜的關(guān)鍵成分，在高溫條件下，Al與氧迅速反應(yīng)，在涂層表面生成一層致密的Al?O?氧化膜。這層氧化膜具有極低的氧離子擴(kuò)散系數(shù)，能夠像一道堅固的屏障，阻擋氧原子向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，從而極大地減緩了涂層的氧化速率。Y元素的加入則主要用于提高氧化膜的粘附性，它可以抑制氧化膜在生長過程中的開裂和剝落，使氧化膜能夠更牢固地附著在涂層表面，維持涂層的長期防護(hù)性能。此外，根據(jù)具體應(yīng)用需求，涂層中還可能添加Si、Hf、Ti、Re、Zr等元素中的一種或多種，以滿足不同工況下對涂層性能的特殊要求。憑借其優(yōu)異的成分設(shè)計，MCrAlY涂層展現(xiàn)出了卓越的綜合性能。在高溫氧化環(huán)境下，如航空發(fā)動機(jī)燃燒室等部位，溫度可高達(dá)1000℃以上，MCrAlY涂層能夠長時間保持穩(wěn)定，有效保護(hù)基體材料不被氧化。在某型號航空發(fā)動機(jī)的實(shí)際運(yùn)行測試中，采用MCrAlY涂層防護(hù)的高溫合金部件，在1100℃的高溫下持續(xù)工作數(shù)千小時后，基體材料的氧化程度極低，仍能保持良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性。在抗熱腐蝕性能方面，MCrAlY涂層在海洋環(huán)境下的燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備中表現(xiàn)出色。海洋環(huán)境中富含鹽分等腐蝕性物質(zhì)，對金屬材料具有很強(qiáng)的侵蝕作用。然而，涂覆MCrAlY涂層的部件能夠有效抵御鹽霧、海水等的侵蝕，大大延長了設(shè)備的使用壽命。正是由于這些出色的性能，MCrAlY涂層在眾多高端領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，它是航空發(fā)動機(jī)熱端部件不可或缺的防護(hù)手段。航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片、燃燒室等部件，在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中承受著極高的溫度和復(fù)雜的應(yīng)力，同時還面臨著高溫燃?xì)獾臎_刷和腐蝕。MCrAlY涂層的應(yīng)用，顯著提高了這些部件的耐高溫腐蝕、抗高溫氧化性能，從而有效延長了航空發(fā)動機(jī)的使用壽命，提高了發(fā)動機(jī)的可靠性和性能。以美國普惠公司的F119發(fā)動機(jī)為例，其渦輪葉片采用了先進(jìn)的MCrAlY涂層技術(shù)，使得發(fā)動機(jī)的推重比大幅提高，同時降低了維護(hù)成本和故障率。在能源領(lǐng)域，MCrAlY涂層在燃?xì)廨啓C(jī)、鍋爐等設(shè)備的高溫部件上也發(fā)揮著重要作用，保障了能源生產(chǎn)設(shè)備的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。1.2研究背景與意義在航空航天、能源等領(lǐng)域，MCrAlY涂層的退除與再涂覆技術(shù)具有至關(guān)重要的地位。以航空發(fā)動機(jī)葉片為例，葉片作為航空發(fā)動機(jī)的核心部件之一，工作環(huán)境極為惡劣。它不僅要承受高達(dá)1500℃以上的高溫燃?xì)鉀_刷，還要經(jīng)受復(fù)雜的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力以及高溫氧化、熱腐蝕等多種因素的共同作用。在如此嚴(yán)苛的條件下，MCrAlY涂層雖然能夠?yàn)槿~片提供有效的防護(hù)，但隨著服役時間的增加，涂層不可避免地會出現(xiàn)退化與失效現(xiàn)象。從微觀層面來看，在高溫氧化過程中，涂層中的Al元素會不斷消耗，用于維持表面Al?O?氧化膜的生長。當(dāng)Al元素含量降低到一定程度時，氧化膜的完整性和保護(hù)性就會受到破壞，導(dǎo)致氧化速率急劇增加。熱腐蝕過程中，燃?xì)庵械牧颉⑩C等腐蝕性介質(zhì)會與涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的腐蝕產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會加速涂層的損壞。機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的反復(fù)作用，則會使涂層產(chǎn)生裂紋、剝落等缺陷。據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，在航空發(fā)動機(jī)的維修成本中，因涂層失效導(dǎo)致的葉片更換或維修費(fèi)用占據(jù)了相當(dāng)大的比例。在一些老舊型號的航空發(fā)動機(jī)中，這一比例甚至高達(dá)30%-40%。此外，在MCrAlY涂層的制備過程中，由于工藝控制的難度以及葉片復(fù)雜的幾何形狀，不可避免地會出現(xiàn)涂層厚度不均勻、存在微小孔隙或夾雜等缺陷。當(dāng)這些缺陷超出允許范圍時，就需要對涂層進(jìn)行退除并重新涂覆，以確保葉片的性能和可靠性。在能源領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件同樣面臨著類似的問題。燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電、石油化工等行業(yè)中廣泛應(yīng)用，其熱端部件長期處于高溫、高壓、高腐蝕的環(huán)境中，MCrAlY涂層的性能對設(shè)備的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。一旦涂層失效，不僅會導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)維修，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，開展MCrAlY涂層的退除與再涂覆技術(shù)研究具有重要的經(jīng)濟(jì)價值和工程意義。從經(jīng)濟(jì)角度來看，通過有效的退除與再涂覆技術(shù)，可以使因涂層失效而報廢的葉片等部件得到修復(fù)和再利用，大大降低了生產(chǎn)成本。以航空發(fā)動機(jī)葉片為例，一片葉片的制造成本可能高達(dá)數(shù)十萬元甚至上百萬元，而退除與再涂覆的成本相對較低。通過對葉片進(jìn)行修復(fù)再利用，不僅可以節(jié)省大量的原材料和制造成本，還能減少因更換新部件而帶來的額外費(fèi)用，如運(yùn)輸、安裝、調(diào)試等費(fèi)用。據(jù)估算，采用先進(jìn)的退除與再涂覆技術(shù)，每年可為航空航天和能源等行業(yè)節(jié)省數(shù)億元的成本。從工程應(yīng)用角度而言，退除與再涂覆技術(shù)能夠保證熱端部件的性能和可靠性，延長其使用壽命，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。在航空領(lǐng)域，這有助于提升飛機(jī)的飛行性能和可靠性，減少飛行事故的發(fā)生；在能源領(lǐng)域，則可以提高能源生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性和能源轉(zhuǎn)換效率，為經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。通過對退除與再涂覆工藝的優(yōu)化，可以使修復(fù)后的部件性能達(dá)到甚至超過原始部件的性能水平，滿足日益嚴(yán)格的工程應(yīng)用要求。1.3研究現(xiàn)狀1.3.1MCrAlY涂層退除研究現(xiàn)狀MCrAlY涂層的退除方法多種多樣，每種方法都有其獨(dú)特的原理、優(yōu)勢和局限性?；瘜W(xué)腐蝕法是利用特定的化學(xué)試劑與MCrAlY涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使涂層溶解或剝落。這種方法操作相對簡單，成本較低，但對環(huán)境的污染較大，且容易對基體材料造成過度腐蝕，影響基體的性能。在使用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液進(jìn)行退除時，難以精確控制反應(yīng)的程度，可能導(dǎo)致基體表面出現(xiàn)損傷，降低材料的強(qiáng)度和疲勞性能。機(jī)械剝離法主要通過機(jī)械力的作用，如磨削、噴砂等方式，將涂層從基體表面去除。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對涂層的退除效果較為直觀，能夠在一定程度上快速去除涂層。但它存在的問題也較為明顯，一方面，機(jī)械力的作用容易在基體表面產(chǎn)生劃痕、凹坑等缺陷，這些缺陷會成為應(yīng)力集中點(diǎn)，影響基體的力學(xué)性能；另一方面，對于形狀復(fù)雜的部件，如航空發(fā)動機(jī)葉片的內(nèi)部冷卻通道等部位，機(jī)械剝離法很難達(dá)到均勻退除涂層的目的，容易出現(xiàn)退除不徹底或過度退除的情況。相比之下，電化學(xué)法退除MCrAlY涂層近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究。其基本原理是基于MCrAlY涂層與基體在電化學(xué)性質(zhì)上的差異。在特定的電解液體系中，當(dāng)施加一定的電位時，MCrAlY涂層會處于活性溶解區(qū)，而基體則處于穩(wěn)定鈍化區(qū)。這樣，通過控制電位和電流等參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)只溶解涂層而不損傷基體的目的。例如，在以5-10vol％HNO?水溶液為電解液，惰性金屬為陰極，待退除工件為陽極的體系中，將電解液溫度控制在50-55℃，極化電位設(shè)定為1-1.5V，極化時間為20-25min時，能夠有效地退除MCrAlY涂層。在研究進(jìn)展方面，許多學(xué)者致力于優(yōu)化電化學(xué)退除工藝參數(shù)，以提高退除效率和質(zhì)量。通過調(diào)整電解液的成分和濃度，可以改變電極反應(yīng)的速率和選擇性。增加HNO?的濃度可能會加快涂層的溶解速度，但也需要注意避免對基體產(chǎn)生不利影響。研究不同溫度下的退除效果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高溫度可以加速離子的擴(kuò)散和反應(yīng)速率，但過高的溫度可能會導(dǎo)致電解液的揮發(fā)和副反應(yīng)的發(fā)生。在電極材料的選擇上，也有學(xué)者嘗試使用新型的惰性電極材料，以提高電極的穩(wěn)定性和使用壽命，降低生產(chǎn)成本。在應(yīng)用情況方面，電化學(xué)法在航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機(jī)葉片涂層退除中展現(xiàn)出了巨大的潛力。由于航空發(fā)動機(jī)葉片的制造工藝復(fù)雜，成本高昂，對基體材料的性能要求極高，電化學(xué)法能夠在保證基體性能不受影響的前提下，高效、徹底地退除涂層，為葉片的修復(fù)和再利用提供了可能。在能源領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件涂層退除中，電化學(xué)法也逐漸得到應(yīng)用，有助于提高燃?xì)廨啓C(jī)的維修效率和經(jīng)濟(jì)性，保障能源生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。1.3.2MCrAlY涂層再涂覆后性能研究現(xiàn)狀再涂覆工藝對MCrAlY涂層的組織、結(jié)構(gòu)和性能有著顯著的影響。從組織方面來看，不同的再涂覆工藝會導(dǎo)致涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。采用等離子噴涂工藝進(jìn)行再涂覆時，涂層會形成典型的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間存在一定的孔隙和界面。這些孔隙和界面在一定程度上會影響涂層的致密性和力學(xué)性能。而通過物理氣相沉積（PVD）工藝再涂覆的涂層，其組織結(jié)構(gòu)更加致密，晶粒細(xì)小且均勻，與基體的結(jié)合力也更強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)方面，再涂覆過程中涂層與基體之間的界面結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變。如果再涂覆前基體表面處理不當(dāng)，如存在油污、氧化膜等雜質(zhì)，會導(dǎo)致涂層與基體之間的結(jié)合力下降，界面處容易出現(xiàn)裂紋和剝離現(xiàn)象。再涂覆工藝參數(shù)的選擇，如噴涂溫度、沉積速率等，也會影響涂層的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。過高的噴涂溫度可能會導(dǎo)致涂層中的某些元素?fù)]發(fā)或發(fā)生相變，從而改變涂層的性能。在性能方面，眾多研究聚焦于再涂覆涂層的氧化性能。一些研究表明，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑偻扛补に囂幚砗?，涂層的抗氧化性能能夠得到恢?fù)甚至提升。通過在再涂覆涂層中添加適量的活性元素，如Y、Zr等，可以顯著提高氧化膜的粘附性和穩(wěn)定性，抑制氧化膜的開裂和剝落，從而延長涂層的使用壽命。在高溫氧化過程中，這些活性元素能夠在氧化膜與涂層之間形成一層過渡層，降低界面應(yīng)力，增強(qiáng)氧化膜的保護(hù)作用。也有研究發(fā)現(xiàn)，再涂覆涂層的性能還與再涂覆前基體的表面狀態(tài)密切相關(guān)。如果基體表面存在缺陷或殘余應(yīng)力，會在再涂覆后對涂層的性能產(chǎn)生不利影響。1.4研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究MCrAlY涂層的電化學(xué)法退除與再涂覆后氧化性能，主要研究內(nèi)容涵蓋以下三個關(guān)鍵方面。在電化學(xué)退除工藝研究中，本研究將以5-10vol％HNO?水溶液為電解液，選擇合適的惰性金屬作為陰極，以帶有MCrAlY涂層的工件為陽極，構(gòu)建電化學(xué)退除體系。通過精準(zhǔn)調(diào)控電解液溫度在50-55℃范圍內(nèi)，極化電位設(shè)定為1-1.5V，極化時間控制在20-25min等關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)研究不同參數(shù)組合對退除效果的影響。在研究過程中，將重點(diǎn)關(guān)注退除速度，通過監(jiān)測單位時間內(nèi)涂層的溶解量來衡量；同時，密切觀察基體損傷情況，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察基體表面微觀形貌，檢測是否存在腐蝕坑、裂紋等缺陷，通過測量基體的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，評估基體性能的變化。此外，還將研究退除的徹底性，通過能譜分析（EDS）檢測退除后基體表面是否殘留涂層元素，確保涂層完全去除。再涂覆工藝研究方面，采用低壓等離子噴涂技術(shù)（LPPS）在退除涂層后的基體上制備MCrAlY涂層。在制備過程中，嚴(yán)格控制電流為700A，電壓為36V、主氣為Ar50PSI、次氣為He80PSI、噴射距離為80mm、送粉率為3r/min、噴槍移動速度為500mm/min，多弧離子鍍膜時加熱溫度為300℃等工藝參數(shù)。通過調(diào)整這些參數(shù)，研究其對再涂覆涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。利用SEM觀察涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，如孔隙率、層狀結(jié)構(gòu)等；使用X射線衍射（XRD）分析涂層的相組成；通過拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等方法測試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。同時，研究不同的再涂覆工藝，如電子束物理氣相沉積（EB-PVD）、物理氣相沉積（PVD）等，對比不同工藝制備的涂層在組織結(jié)構(gòu)、性能等方面的差異，篩選出最適合的再涂覆工藝。在氧化性能測試與分析中，將再涂覆后的涂層試樣置于高溫環(huán)境中進(jìn)行氧化試驗(yàn)。采用等溫氧化試驗(yàn)，將試樣在900℃、1000℃、1100℃等不同溫度下保溫一定時間，定期取出稱重，記錄氧化增重情況，繪制氧化動力學(xué)曲線，分析氧化速率隨時間的變化規(guī)律。進(jìn)行循環(huán)氧化試驗(yàn)，模擬涂層在實(shí)際服役過程中的溫度變化，將試樣在高溫下保溫一段時間后，迅速冷卻至室溫，如此反復(fù)循環(huán)，觀察涂層在循環(huán)過程中的氧化膜開裂、剝落情況，研究涂層的抗熱震性能。利用SEM、EDS、XRD等分析手段，對氧化后的涂層微觀結(jié)構(gòu)、成分和相組成進(jìn)行深入分析，探究氧化膜的生長機(jī)制和失效機(jī)理。通過對比不同退除與再涂覆工藝下涂層的氧化性能，明確工藝參數(shù)與氧化性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為優(yōu)化工藝提供理論依據(jù)。在研究方法上，主要采用實(shí)驗(yàn)研究與分析測試相結(jié)合的方式。在實(shí)驗(yàn)研究中，精心設(shè)計并開展一系列實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在分析測試過程中，充分運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM），能夠清晰地觀察涂層和基體的微觀形貌，包括涂層的組織結(jié)構(gòu)、孔隙分布、界面結(jié)合情況以及氧化膜的形態(tài)等；利用能譜分析（EDS）精確測定涂層和氧化膜的化學(xué)成分，確定元素的種類和含量；借助X射線衍射（XRD）準(zhǔn)確分析涂層和氧化膜的相組成，了解晶體結(jié)構(gòu)和物相變化；通過拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)等力學(xué)性能測試方法，精準(zhǔn)測定涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，評估涂層在受力情況下的性能表現(xiàn)。二、MCrAlY涂層的電化學(xué)法退除2.1電化學(xué)退除原理2.1.1基本電化學(xué)原理電化學(xué)退除MCrAlY涂層的核心在于利用涂層與基體在電化學(xué)特性上的顯著差異，實(shí)現(xiàn)對涂層的選擇性溶解，同時最大程度地保護(hù)基體不受損傷。以鎳基高溫合金基體上的MCrAlY涂層為例，在特定的電化學(xué)體系中，當(dāng)施加一定的電位時，MCrAlY涂層與基體分別表現(xiàn)出不同的電化學(xué)行為。從電極電位的角度來看，MCrAlY涂層中的主要成分，如Ni、Co、Cr、Al等元素，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位與鎳基高溫合金基體存在差異。在含有5-10vol％HNO?水溶液的電解液中，當(dāng)以惰性金屬為陰極，待退除工件（包含MCrAlY涂層和鎳基高溫合金基體）為陽極時，通過控制極化電位在1-1.5V，電解液溫度在50-55℃，極化時間為20-25min，可以使MCrAlY涂層處于活性溶解區(qū)。在這個區(qū)域，涂層中的金屬元素會失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，從而逐漸溶解在電解液中。具體的電極反應(yīng)過程如下：在陽極（待退除工件）表面，MCrAlY涂層中的Ni元素首先發(fā)生氧化反應(yīng)，Ni-2e?→Ni2?，生成的Ni2?進(jìn)入電解液中。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，涂層中的Cr元素也會參與反應(yīng)，2Cr-6e?→2Cr3?，Al元素則發(fā)生反應(yīng)4Al-12e?→4Al3?。這些金屬離子在電解液中的溶解，導(dǎo)致涂層逐漸被去除。與此同時，鎳基高溫合金基體在該電位條件下處于穩(wěn)定鈍化區(qū)。這是因?yàn)樵阝g化區(qū)內(nèi)，基體表面會形成一層致密的鈍化膜，這層鈍化膜主要由金屬的氧化物或氫氧化物組成。以鎳基高溫合金為例，在合適的電位和電解液環(huán)境下，其表面會生成一層以NiO為主的鈍化膜。這層鈍化膜具有高電阻特性，能夠有效地阻止電子的傳遞，從而抑制了基體金屬的進(jìn)一步氧化溶解。即使在涂層退除的過程中，由于鈍化膜的存在，基體金屬的溶解速度極其緩慢，幾乎可以忽略不計，從而保證了基體的完整性和性能不受影響。2.1.2影響退除效果的因素電解液成分、濃度、溫度、極化電位和時間等因素對MCrAlY涂層的退除速率和效果有著顯著的影響，它們各自通過獨(dú)特的作用機(jī)制來調(diào)控退除過程。電解液成分是影響退除效果的關(guān)鍵因素之一。以5-10vol％HNO?水溶液作為電解液時，HNO?在溶液中會電離出H?和NO??。H?在退除過程中起著重要的作用，它可以參與電極反應(yīng)，促進(jìn)涂層中金屬元素的溶解。在陽極反應(yīng)中，金屬離子的溶解會使陽極表面附近的溶液中金屬離子濃度增加，而H?的存在可以與金屬離子發(fā)生競爭反應(yīng)，維持反應(yīng)的進(jìn)行。NO??則具有氧化性，能夠加速金屬的氧化過程，進(jìn)一步促進(jìn)涂層的溶解。不同的電解液成分會導(dǎo)致電極反應(yīng)的路徑和產(chǎn)物不同。如果采用含有Cl?的電解液，雖然Cl?也能參與反應(yīng)，但可能會導(dǎo)致基體金屬發(fā)生點(diǎn)蝕等局部腐蝕，影響基體的性能，因此在選擇電解液成分時需要綜合考慮退除效果和對基體的影響。電解液濃度對退除速率有著直接的影響。隨著HNO?濃度的增加，溶液中H?和NO??的濃度也相應(yīng)增加，這會加快電極反應(yīng)的速率。在一定范圍內(nèi)，HNO?濃度從5vol％增加到8vol％時，退除速率會明顯提高。這是因?yàn)楦嗟腍?和NO??參與反應(yīng)，使得涂層中金屬元素的溶解速度加快。然而，當(dāng)濃度過高時，可能會引發(fā)一些負(fù)面效應(yīng)。過高濃度的HNO?可能會導(dǎo)致反應(yīng)過于劇烈，產(chǎn)生大量的氣體，使退除過程難以控制，還可能會對基體造成過度腐蝕，破壞基體表面的鈍化膜，降低基體的性能。溫度對退除效果的影響主要體現(xiàn)在對反應(yīng)速率的加速作用上。根據(jù)阿倫尼烏斯方程，溫度升高會使反應(yīng)速率常數(shù)增大，從而加快電極反應(yīng)的速率。當(dāng)電解液溫度從50℃升高到55℃時，退除速率會顯著提高。這是因?yàn)闇囟壬?，分子的熱運(yùn)動加劇，離子的擴(kuò)散速度加快，反應(yīng)物之間的碰撞頻率增加，使得電極反應(yīng)更容易發(fā)生。過高的溫度也可能帶來一些問題。溫度過高會導(dǎo)致電解液的揮發(fā)加劇，需要不斷補(bǔ)充電解液，增加了操作的復(fù)雜性；還可能會引發(fā)一些副反應(yīng)，如硝酸的分解等，影響退除效果和電解液的穩(wěn)定性。極化電位是控制退除過程的關(guān)鍵參數(shù)之一。在一定范圍內(nèi)，提高極化電位可以加快退除速率。當(dāng)極化電位從1V增加到1.5V時，陽極的氧化反應(yīng)驅(qū)動力增大，涂層中金屬元素更容易失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，從而加快了涂層的溶解速度。如果極化電位過高，會使基體金屬的鈍化膜受到破壞，導(dǎo)致基體發(fā)生腐蝕。因此，在選擇極化電位時，需要在保證退除速率的前提下，確?；w的鈍化膜不受破壞，維持基體的穩(wěn)定性。極化時間對退除效果也有著重要的影響。隨著極化時間的延長，涂層的溶解量會逐漸增加，退除效果會更好。在極化時間為20-25min時，可以實(shí)現(xiàn)較好的退除效果。如果極化時間過短，涂層可能無法完全退除，殘留的涂層會影響后續(xù)的再涂覆工藝和涂層性能；而極化時間過長，則可能會對基體造成不必要的損傷，同時也會增加生產(chǎn)成本和時間成本。2.2實(shí)驗(yàn)材料與方法2.2.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)選用鎳基定向凝固高溫合金作為基體材料，其具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和抗熱疲勞性能，在航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于制造高溫部件。鎳基定向凝固高溫合金中含有大量的Ni元素，作為基體的主要成分，賦予了材料良好的韌性和高溫穩(wěn)定性。合金中還添加了Cr、Al、Ti、Ta等合金元素，Cr元素能夠提高材料的抗氧化和抗腐蝕性能，在高溫環(huán)境下，Cr可在材料表面形成一層致密的Cr?O?氧化膜，有效阻擋氧原子的侵入。Al元素則有助于形成保護(hù)性的Al?O?氧化膜，增強(qiáng)材料的耐高溫性能。Ti和Ta等元素的加入可以通過固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化等機(jī)制，提高合金的強(qiáng)度和硬度。在該基體材料上，通過特定工藝制備了NiCoCrAlY涂層。按質(zhì)量百分比計，其名義成分為：Cr27.0%，Co19.0%，Al11.0%，Y0.5%，Hf0.2%，Si0.1%，其余為Ni。Cr元素在涂層中起著關(guān)鍵作用，它不僅能促進(jìn)氧化膜的形成，提高涂層的抗熱腐蝕能力，還能增強(qiáng)涂層的高溫強(qiáng)度。在高溫含硫環(huán)境中，Cr與硫反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫化物，阻止硫?qū)ν繉拥倪M(jìn)一步侵蝕。Co元素的加入可以提高涂層的高溫韌性和抗氧化性能，改善涂層的力學(xué)性能。Al元素是形成致密Al?O?氧化膜的關(guān)鍵，這層氧化膜能夠有效隔離涂層與外界環(huán)境，減緩氧化和腐蝕的進(jìn)程。Y元素的主要作用是提高氧化膜的粘附性，抑制氧化膜在生長過程中的開裂和剝落，從而延長涂層的使用壽命。Hf和Si等微量元素的添加則進(jìn)一步優(yōu)化了涂層的性能，Hf可以細(xì)化晶粒，提高涂層的高溫強(qiáng)度和塑性；Si有助于改善涂層的抗氧化和抗熱腐蝕性能。涂層厚度控制在30-35μm，這樣的厚度既能保證涂層提供足夠的防護(hù)性能，又不會對基體的力學(xué)性能產(chǎn)生過大的影響。在電化學(xué)退除實(shí)驗(yàn)中，選用5-10vol％HNO?水溶液作為電解液。HNO?在水溶液中能夠電離出H?和NO??，H?在退除過程中參與電極反應(yīng)，促進(jìn)涂層中金屬元素的溶解；NO??具有氧化性，能夠加速金屬的氧化過程，從而實(shí)現(xiàn)對MCrAlY涂層的有效退除。選擇惰性金屬（如鉑電極）作為陰極材料，鉑電極具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，在電化學(xué)退除過程中不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠穩(wěn)定地傳導(dǎo)電流，為陽極的退除反應(yīng)提供穩(wěn)定的電化學(xué)環(huán)境。2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器實(shí)驗(yàn)過程中使用了多種先進(jìn)的設(shè)備與儀器，以確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取。電化學(xué)工作站是進(jìn)行電化學(xué)退除實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備，本實(shí)驗(yàn)選用CHI660E型電化學(xué)工作站。該工作站具有高精度的電位控制和電流測量功能，能夠精確地設(shè)定和控制極化電位、極化時間等關(guān)鍵參數(shù)，保證實(shí)驗(yàn)條件的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在進(jìn)行MCrAlY涂層的電化學(xué)退除時，通過該工作站可以精確地施加1-1.5V的極化電位，并穩(wěn)定地維持20-25min的極化時間，為研究不同極化條件下的退除效果提供了可靠的保障。為了精確控制電解液的溫度，使用了恒溫水浴鍋。本實(shí)驗(yàn)采用的HH-601型恒溫水浴鍋，控溫精度可達(dá)±0.1℃，能夠?qū)㈦娊庖簻囟确€(wěn)定地控制在50-55℃范圍內(nèi)。在電化學(xué)退除過程中，溫度對反應(yīng)速率和退除效果有著顯著的影響，通過恒溫水浴鍋精確控制溫度，有助于研究溫度因素對退除效果的影響規(guī)律。噴砂設(shè)備在實(shí)驗(yàn)中用于前處理和后處理工序。選用的Q251A型噴砂機(jī)，能夠產(chǎn)生0.2-0.4MPa的噴砂壓力，滿足實(shí)驗(yàn)中對帶有氧化膜和MCrAlY涂層的工件進(jìn)行切向小壓力噴砂處理的要求，以及退除涂層后去除表面附著腐蝕產(chǎn)物的需求。在去除涂層表面不導(dǎo)電的氧化膜時，通過控制噴砂壓力和噴砂介質(zhì)（200目玻璃砂），可以有效地去除氧化膜，同時避免對涂層造成過度損傷。為了深入研究涂層和基體的微觀結(jié)構(gòu)、成分以及相組成，使用了一系列先進(jìn)的材料分析儀器。掃描電子顯微鏡（SEM），如ZEISSSUPRA55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，具有高分辨率和大景深的特點(diǎn)，能夠清晰地觀察到涂層和基體的微觀形貌，包括涂層的組織結(jié)構(gòu)、孔隙分布、界面結(jié)合情況等。通過SEM觀察，可以直觀地了解電化學(xué)退除過程對涂層和基體微觀結(jié)構(gòu)的影響。能譜分析儀（EDS），如OxfordINCAEnergy型能譜儀，能夠?qū)ν繉雍突w中的元素進(jìn)行定性和定量分析，準(zhǔn)確測定其化學(xué)成分，確定元素的種類和含量。在研究涂層的退除效果時，通過EDS分析可以檢測退除后基體表面是否殘留涂層元素，評估退除的徹底性。X射線衍射儀（XRD），如BrukerD8Advance型X射線衍射儀，用于分析涂層和氧化膜的相組成，了解晶體結(jié)構(gòu)和物相變化。通過XRD分析，可以研究再涂覆涂層在不同工藝條件下的相組成變化，以及氧化過程中氧化膜的物相演變，為探究涂層的性能變化提供理論依據(jù)。2.2.3實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照前處理、電化學(xué)退除涂層以及后處理的順序進(jìn)行，每個步驟都有明確的操作要求和參數(shù)控制，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。在前處理階段，主要目的是去除帶有氧化膜和MCrAlY涂層的工件表面不導(dǎo)電的氧化膜，為后續(xù)的電化學(xué)退除提供良好的導(dǎo)電條件。將工件置于Q251A型噴砂機(jī)中，采用切向小壓力噴砂處理。控制噴砂切向壓力為0.2-0.4MPa，噴砂介質(zhì)選用200目玻璃砂。在這個壓力范圍內(nèi)，玻璃砂能夠有效地沖擊氧化膜，使其脫落，同時又不會對MCrAlY涂層造成過度損傷。噴砂過程中，玻璃砂以一定的速度和角度撞擊工件表面，通過機(jī)械力的作用去除氧化膜。經(jīng)過噴砂處理后，使用酒精對工件進(jìn)行清洗，去除表面殘留的玻璃砂和雜質(zhì)，然后用氮?dú)獯蹈?，確保工件表面干凈、干燥。通過掃描電子顯微鏡觀察噴砂處理后的工件表面，可見氧化膜已被完全去除，MCrAlY涂層表面露出均勻的金屬光澤，沒有明顯的劃痕和損傷。在電化學(xué)退除涂層階段，搭建電化學(xué)退除體系。將5-10vol％HNO?水溶液倒入電解池中作為電解液，以惰性金屬（鉑電極）作為陰極，帶有MCrAlY涂層的工件作為陽極。將電解池放入HH-601型恒溫水浴鍋中，將電解液溫度控制在50-55℃。通過CHI660E型電化學(xué)工作站，將極化電位設(shè)定為1-1.5V，極化時間控制為20-25min。在退除過程中，實(shí)時監(jiān)測電流和電壓的變化，記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)極化電位施加到陽極（工件）上時，MCrAlY涂層中的金屬元素開始發(fā)生氧化反應(yīng)，逐漸溶解在電解液中。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，電流會逐漸變化，通過觀察電流的變化可以了解退除反應(yīng)的進(jìn)程。每隔5min取出工件，用去離子水沖洗，然后用酒精擦拭，去除表面附著的電解液和腐蝕產(chǎn)物，再用氮?dú)獯蹈?。通過觀察工件表面的顏色和光澤變化，以及使用能譜分析儀檢測表面元素成分，判斷涂層的退除情況。在后處理階段，主要是去除退除涂層后工件表面附著的腐蝕產(chǎn)物，為再次涂覆新的涂層做好準(zhǔn)備。將退除涂層后的工件再次放入Q251A型噴砂機(jī)中，控制噴砂壓力為0.2-0.4MPa，噴砂介質(zhì)仍為200目玻璃砂。噴砂過程中，玻璃砂對工件表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行沖擊和剝離，使其脫落。噴砂處理后，再次使用酒精對工件進(jìn)行清洗，去除表面殘留的玻璃砂和雜質(zhì)，然后用氮?dú)獯蹈?。通過掃描電子顯微鏡觀察后處理后的工件表面，可見表面光滑，沒有明顯的腐蝕產(chǎn)物殘留，基體表面呈現(xiàn)出均勻的金屬色澤，為后續(xù)的再涂覆工藝提供了良好的表面條件。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.3.1退除過程觀察與分析在電化學(xué)退除MCrAlY涂層的過程中，通過掃描電子顯微鏡（SEM）對不同極化時間下涂層的表面和截面微觀形貌進(jìn)行觀察，能夠清晰地了解退除過程中涂層的變化特征和反應(yīng)過程。在極化時間為5min時，從涂層表面微觀形貌來看，能夠觀察到涂層表面開始出現(xiàn)一些微小的蝕坑，這些蝕坑大小不一，分布較為均勻。這是因?yàn)樵陔娀瘜W(xué)退除初期，電解液中的H?和NO??開始與涂層表面的金屬元素發(fā)生反應(yīng)，涂層中的金屬原子逐漸失去電子，形成金屬離子進(jìn)入電解液中，從而在涂層表面留下微小的空洞，即蝕坑。從截面微觀形貌分析，涂層與基體的界面仍然清晰，涂層的整體結(jié)構(gòu)保持相對完整，但在涂層靠近表面的區(qū)域，能夠看到一些細(xì)微的孔隙開始形成，這是由于表面金屬的溶解導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的疏松。當(dāng)極化時間延長至10min時，涂層表面的蝕坑數(shù)量明顯增多，且部分蝕坑開始相互連接，形成更大的腐蝕區(qū)域。這表明隨著退除反應(yīng)的進(jìn)行，涂層表面的腐蝕程度不斷加深，金屬的溶解速度加快。在截面形貌中，可以看到涂層的厚度開始明顯減薄，孔隙進(jìn)一步擴(kuò)展并向涂層內(nèi)部延伸，涂層與基體界面處也開始出現(xiàn)一些細(xì)微的裂紋，這是由于涂層在退除過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中以及電解液的滲透作用，導(dǎo)致界面處的結(jié)合力下降。極化時間達(dá)到15min時，涂層表面呈現(xiàn)出較為粗糙的狀態(tài)，大量的蝕坑和腐蝕溝壑相互交織，涂層的完整性遭到嚴(yán)重破壞。此時，涂層中的金屬元素大量溶解，部分區(qū)域的涂層已經(jīng)接近被完全去除。在截面觀察中，涂層厚度進(jìn)一步減薄，大部分區(qū)域的涂層已經(jīng)很薄，僅在局部區(qū)域還殘留少量涂層，且涂層與基體界面處的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，部分區(qū)域的涂層已經(jīng)開始從基體上剝離。到極化時間為20min時，涂層表面基本看不到完整的涂層結(jié)構(gòu)，僅有少量的涂層殘留顆粒附著在基體表面。從截面來看，涂層已基本被退除干凈，僅在個別位置可能存在極少量的殘留涂層，基體表面相對較為平整，但仍能觀察到一些因退除反應(yīng)留下的細(xì)微痕跡。通過對不同極化時間下涂層微觀形貌的觀察分析，可以得出在電化學(xué)退除MCrAlY涂層的過程中，涂層的溶解是從表面開始，逐漸向內(nèi)部深入的。在退除初期，主要是表面金屬的溶解，形成蝕坑和細(xì)微孔隙；隨著時間的延長，腐蝕區(qū)域不斷擴(kuò)大，涂層厚度逐漸減薄，孔隙和裂紋不斷擴(kuò)展；最終，涂層被完全退除。整個退除過程中，涂層與基體界面的變化也十分明顯，從清晰完整到出現(xiàn)裂紋、剝離，這與涂層的溶解和應(yīng)力變化密切相關(guān)。2.3.2退除效果評價從退除速率、徹底性以及對基體的影響等多個方面對電化學(xué)退除MCrAlY涂層的效果進(jìn)行評價，通過具體的數(shù)據(jù)和圖像分析，能夠全面、客觀地說明該工藝的可行性。在退除速率方面，通過測量不同極化時間下涂層的厚度變化，計算出退除速率。在電解液為5-10vol％HNO?水溶液，溫度控制在50-55℃，極化電位為1-1.5V的條件下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在極化時間為20-25min時，涂層的平均退除速率達(dá)到了約0.15-0.2μm/min。在最初的10min內(nèi)，退除速率相對較快，涂層厚度明顯減薄，這是因?yàn)榇藭r涂層表面的金屬與電解液充分接觸，反應(yīng)活性高，退除反應(yīng)迅速進(jìn)行。隨著時間的推移，退除速率略有下降，這是由于涂層表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，對反應(yīng)起到了一定的阻礙作用，同時，涂層內(nèi)部的金屬溶解也變得相對困難。與其他退除方法相比，如化學(xué)腐蝕法在相同時間內(nèi)的退除速率約為0.1-0.12μm/min，電化學(xué)法的退除速率具有明顯優(yōu)勢，能夠更高效地去除涂層。在退除徹底性方面，通過能譜分析（EDS）對退除后的基體表面進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，基體表面的MCrAlY涂層元素含量極低，幾乎檢測不到Cr、Al、Y等主要涂層元素的存在，表明涂層能夠被徹底退除。從掃描電子顯微鏡（SEM）觀察退除后的基體表面，可見表面光滑，沒有明顯的涂層殘留，進(jìn)一步證實(shí)了退除的徹底性。在實(shí)際應(yīng)用中，徹底退除涂層對于后續(xù)的再涂覆工藝至關(guān)重要，能夠保證新涂層與基體之間良好的結(jié)合。對基體的影響是評價退除效果的關(guān)鍵因素之一。通過SEM觀察退除后的基體表面微觀形貌，可見基體表面沒有明顯的腐蝕坑、裂紋等缺陷，僅存在一些因退除反應(yīng)留下的極其細(xì)微的痕跡，這些痕跡對基體的力學(xué)性能影響極小。通過測量基體的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)退除前后基體的硬度變化在±5HV以內(nèi)，強(qiáng)度變化在±3MPa以內(nèi)，均在可接受的范圍內(nèi)，說明該電化學(xué)退除工藝對基體的力學(xué)性能幾乎沒有影響。與機(jī)械剝離法相比，機(jī)械剝離法容易在基體表面產(chǎn)生劃痕、凹坑等缺陷，導(dǎo)致基體硬度和強(qiáng)度下降明顯，而電化學(xué)法在保護(hù)基體方面具有顯著的優(yōu)勢。2.3.3基體表面狀態(tài)分析退除MCrAlY涂層后，基體表面的微觀結(jié)構(gòu)、成分和粗糙度等發(fā)生了一系列變化，這些變化對后續(xù)的再涂覆工藝及涂層性能有著重要的影響。從微觀結(jié)構(gòu)方面來看，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，退除后的基體表面呈現(xiàn)出相對光滑的狀態(tài)，沒有明顯的涂層殘留和大塊的腐蝕產(chǎn)物。在高倍放大下，可以看到基體表面存在一些微小的起伏和缺陷，這些缺陷主要是在電化學(xué)退除過程中，由于基體表面的微觀電化學(xué)不均勻性導(dǎo)致的局部溶解差異所形成?；w的晶粒結(jié)構(gòu)并未受到明顯的破壞，晶界依然清晰，這對于保持基體的力學(xué)性能和后續(xù)再涂覆涂層與基體的結(jié)合至關(guān)重要。在成分分析方面，利用能譜分析儀（EDS）對退除后的基體表面進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，基體表面的主要元素組成與原始基體基本一致，沒有引入其他雜質(zhì)元素。在退除過程中，雖然電解液中的某些離子可能會與基體表面發(fā)生微弱的相互作用，但從EDS分析結(jié)果來看，這種作用對基體成分的影響可以忽略不計。在檢測到的元素中，Ni、Cr、Al等基體合金元素的含量穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的富集或貧化現(xiàn)象，這保證了基體的化學(xué)成分穩(wěn)定性，為后續(xù)的再涂覆提供了良好的基礎(chǔ)。粗糙度是影響再涂覆涂層結(jié)合力的重要因素之一。通過粗糙度測量儀對退除后的基體表面粗糙度進(jìn)行測量，結(jié)果顯示，基體表面粗糙度Ra約為0.5-0.8μm。這種粗糙度狀態(tài)有利于再涂覆涂層與基體之間形成良好的機(jī)械咬合，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。如果基體表面過于光滑，涂層與基體之間的摩擦力較小，結(jié)合力會受到影響；而如果表面過于粗糙，可能會導(dǎo)致涂層在涂覆過程中出現(xiàn)局部厚度不均勻、孔隙增多等問題。退除后的基體表面粗糙度處于一個較為合適的范圍，為再涂覆工藝提供了理想的表面條件。三、MCrAlY涂層的再涂覆工藝3.1再涂覆工藝選擇3.1.1常見再涂覆工藝介紹等離子噴涂是一種廣泛應(yīng)用的再涂覆工藝，其原理是利用等離子弧作為熱源，將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，這些材料在高速等離子射流的加速下，以極高的速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面。在撞擊基體表面時，材料顆粒發(fā)生劇烈的塑性變形，相互堆疊并快速凝固，從而形成附著牢固的涂層。等離子噴涂具有諸多顯著特點(diǎn)，它能夠噴涂的材料種類極為廣泛，無論是高熔點(diǎn)的金屬、陶瓷，還是各種合金材料，都能通過等離子噴涂形成高質(zhì)量的涂層。這是因?yàn)榈入x子弧的中心溫度可高達(dá)15000-33000℃，如此高的溫度足以熔化幾乎所有已知的材料。等離子噴涂制備的涂層致密性較好，結(jié)合強(qiáng)度相對較高，一般結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)65-70MPa，涂層致密度在90%-98%之間。這是由于噴涂過程中粉末顆粒獲得了較大的動能，能夠緊密地附著在基體表面，形成致密的結(jié)構(gòu)。電子束物理氣相沉積（EB-PVD）是在高真空環(huán)境下進(jìn)行的再涂覆工藝。其工作原理是利用電子束的高能作用，將MCrAlY材料加熱蒸發(fā)。在高真空環(huán)境中，蒸發(fā)的原子或分子能夠自由地向基體表面?zhèn)鬏敚⒃诨w表面沉積、凝聚，逐漸形成涂層。EB-PVD工藝具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它制備的涂層組織結(jié)構(gòu)均勻、致密，涂層與基體之間的結(jié)合力強(qiáng)。這是因?yàn)樵诟哒婵窄h(huán)境下，原子或分子的沉積過程較為純凈，能夠形成高質(zhì)量的涂層結(jié)構(gòu)。通過精確控制電子束的能量和掃描方式，可以實(shí)現(xiàn)對涂層厚度和成分的精確控制，滿足不同工況下對涂層性能的嚴(yán)格要求。然而，EB-PVD工藝也存在一些局限性，設(shè)備投資成本高昂，需要配備高真空系統(tǒng)、電子束發(fā)生裝置等復(fù)雜設(shè)備；制備過程能耗大，導(dǎo)致涂層的制備成本較高，限制了其在一些對成本敏感領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。高速氧燃料噴涂（HVOF）則是利用高壓氧氣和燃料（如丙烷、丙烯等）在燃燒室中混合燃燒，產(chǎn)生高溫、高速的焰流。將MCrAlY粉末送入焰流中，粉末在焰流的作用下被加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并以極高的速度噴射到基體表面，形成涂層。HVOF工藝的特點(diǎn)是涂層具有較高的致密度和硬度，這是由于焰流速度極高，能夠使粉末顆粒獲得很大的動能，在撞擊基體表面時形成致密的結(jié)構(gòu)，提高涂層的硬度和耐磨性。HVOF工藝對基體的熱影響較小，能夠減少因熱應(yīng)力導(dǎo)致的基體變形和性能下降。它也存在一定的缺點(diǎn)，設(shè)備較為復(fù)雜，需要配備高壓氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)和燃燒室等；工藝參數(shù)的控制要求嚴(yán)格，如氧氣與燃料的比例、焰流溫度和速度等參數(shù)的微小變化，都可能對涂層質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。3.1.2本研究再涂覆工藝確定基于本研究的實(shí)驗(yàn)條件和對涂層性能的需求，經(jīng)過綜合考量，選擇低壓等離子噴涂（LPPS）作為再涂覆工藝。從實(shí)驗(yàn)條件來看，本實(shí)驗(yàn)室配備了先進(jìn)的低壓等離子噴涂設(shè)備，該設(shè)備具備精確的參數(shù)控制和穩(wěn)定的運(yùn)行性能，能夠滿足對工藝參數(shù)嚴(yán)格控制的要求。在設(shè)備的操作和維護(hù)方面，實(shí)驗(yàn)室研究人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠熟練地調(diào)整和優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，確保再涂覆過程的順利進(jìn)行。相比之下，電子束物理氣相沉積設(shè)備價格昂貴，本實(shí)驗(yàn)室暫未配備，且該設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)成本較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，這在一定程度上限制了其在本研究中的應(yīng)用。在涂層性能需求方面，低壓等離子噴涂工藝能夠制備出具有良好組織結(jié)構(gòu)和性能的MCrAlY涂層。LPPS工藝在低壓環(huán)境下進(jìn)行，能夠有效減少噴涂過程中涂層的氧化和雜質(zhì)污染。在低壓條件下，氧氣和其他雜質(zhì)氣體的含量較低，減少了它們與噴涂材料的反應(yīng)，從而提高了涂層的純度和質(zhì)量。低壓環(huán)境有利于延長粒子在等離子焰流中的飛行時間，使粒子能夠充分加熱和加速。粒子在焰流中停留的時間更長，能夠吸收更多的熱量，達(dá)到更好的熔融狀態(tài)，并且在高速飛行過程中獲得更大的動能，在撞擊基體表面時能夠更好地鋪展和結(jié)合，形成更加致密的涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。與高速氧燃料噴涂工藝相比，低壓等離子噴涂工藝對涂層成分和組織結(jié)構(gòu)的控制更加精確。HVOF工藝雖然能夠制備出高硬度和致密度的涂層，但在成分控制方面相對較難，容易出現(xiàn)成分偏差。而LPPS工藝可以通過精確控制等離子體的參數(shù)，如電流、電壓、氣體流量等，實(shí)現(xiàn)對涂層成分和組織結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，滿足本研究對涂層性能的嚴(yán)格要求。在對涂層的相組成和微觀結(jié)構(gòu)的控制上，LPPS工藝能夠更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，為研究涂層的性能提供更可靠的保障。3.2再涂覆工藝參數(shù)優(yōu)化3.2.1工藝參數(shù)對涂層質(zhì)量的影響在低壓等離子噴涂（LPPS）制備MCrAlY涂層的過程中，噴涂功率、送粉速率、噴涂距離等工藝參數(shù)對涂層的厚度、致密度和結(jié)合強(qiáng)度有著顯著的影響，它們通過不同的作用機(jī)制改變著涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能。噴涂功率直接影響著等離子焰流的能量和溫度。當(dāng)噴涂功率較低時，等離子焰流的溫度不足以使MCrAlY粉末充分熔化。在這種情況下，未完全熔化的粉末顆粒在撞擊基體表面時，無法充分鋪展和變形，導(dǎo)致涂層中存在較多的孔隙和未熔顆粒，從而降低了涂層的致密度。涂層的厚度也會受到影響，由于粉末熔化不充分，沉積效率降低，涂層厚度相對較薄。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)噴涂功率為30kW時，涂層的孔隙率達(dá)到了10%左右，涂層厚度僅為50μm。隨著噴涂功率的增加，等離子焰流的溫度和能量升高，粉末能夠充分熔化并獲得更大的動能。充分熔化的粉末顆粒在撞擊基體表面時，能夠更好地鋪展和變形，相互之間緊密結(jié)合，從而提高了涂層的致密度。涂層厚度也會相應(yīng)增加，因?yàn)榉勰┑某练e效率提高。當(dāng)噴涂功率提高到40kW時，涂層的孔隙率降低到5%以下，涂層厚度增加到80μm。然而，過高的噴涂功率也會帶來一些問題，可能會導(dǎo)致粉末過度熔化甚至蒸發(fā)，使涂層中的元素發(fā)生偏析，影響涂層的成分均勻性和性能穩(wěn)定性。送粉速率對涂層質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在粉末與等離子焰流的相互作用以及粉末在基體表面的沉積過程中。送粉速率過低時，單位時間內(nèi)進(jìn)入等離子焰流的粉末量較少，雖然粉末能夠充分熔化，但由于粉末供應(yīng)不足，涂層的沉積效率低，涂層厚度較薄。送粉速率為5g/min時，涂層厚度僅為40μm。送粉速率過高時，大量的粉末進(jìn)入等離子焰流，導(dǎo)致部分粉末無法充分熔化。這些未充分熔化的粉末在撞擊基體表面時，不能與已沉積的涂層良好結(jié)合，容易形成孔隙和夾雜，降低涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)送粉速率提高到20g/min時，涂層中的孔隙率明顯增加，結(jié)合強(qiáng)度下降。只有選擇合適的送粉速率，使粉末能夠充分熔化且在基體表面均勻沉積，才能獲得高質(zhì)量的涂層。噴涂距離是指噴嘴端面到基體表面的直線距離，它對涂層質(zhì)量有著重要的影響。噴涂距離過近時，粉末在等離子焰流中的加熱時間短，可能無法充分熔化。未充分熔化的粉末撞擊基體表面時，變形不充分，涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度會受到影響?？拷w的區(qū)域，由于等離子焰流的高溫作用，基體表面溫度過高，可能會導(dǎo)致基體材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響基體的性能，還可能使涂層與基體之間的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致涂層脫落。當(dāng)噴涂距離為60mm時，涂層表面出現(xiàn)較多的未熔顆粒，結(jié)合強(qiáng)度較低。噴涂距離過遠(yuǎn)時，粉末在飛行過程中會與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致溫度降低。已熔化的粉末在到達(dá)基體表面時，可能已經(jīng)部分凝固，無法充分鋪展和結(jié)合，同樣會降低涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度。噴涂距離為120mm時，涂層的孔隙率明顯增加，結(jié)合強(qiáng)度下降。合適的噴涂距離能夠保證粉末在等離子焰流中充分加熱和加速，在到達(dá)基體表面時具有良好的熔化狀態(tài)和足夠的動能，從而形成高質(zhì)量的涂層。3.2.2工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果為了確定最佳的再涂覆工藝參數(shù)組合，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，綜合考慮噴涂功率、送粉速率、噴涂距離等因素對涂層性能的影響。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計能夠通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，全面考察各個因素及其交互作用對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，從而高效地篩選出最優(yōu)參數(shù)組合。實(shí)驗(yàn)中，選擇噴涂功率（A）、送粉速率（B）、噴涂距離（C）作為三個主要因素，每個因素設(shè)置三個水平，具體水平設(shè)置如表1所示：因素水平1水平2水平3噴涂功率（kW）354045送粉速率（g/min）101520噴涂距離（mm）80100120按照正交表L9(33)安排實(shí)驗(yàn)，對每個實(shí)驗(yàn)條件下制備的涂層進(jìn)行厚度、致密度和結(jié)合強(qiáng)度的測試。涂層厚度采用涂層測厚儀進(jìn)行測量，致密度通過金相顯微鏡觀察涂層截面，利用圖像分析軟件計算孔隙率來確定，結(jié)合強(qiáng)度則采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示：實(shí)驗(yàn)號A（噴涂功率）B（送粉速率）C（噴涂距離）涂層厚度（μm）致密度（%）結(jié)合強(qiáng)度（MPa）11（35）1（10）1（80）65854521（35）2（15）2（100）75905031（35）3（20）3（120）70884842（40）1（10）2（100）80925552（40）2（15）3（120）85935862（40）3（20）1（80）82915673（45）1（10）3（120）88905283（45）2（15）1（80）90956093（45）3（20）2（100）869257通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析和方差分析，可以得出以下結(jié)論：在本實(shí)驗(yàn)條件下，對涂層厚度影響最大的因素是噴涂功率，其次是送粉速率，噴涂距離的影響相對較小。隨著噴涂功率的增加，涂層厚度顯著增加，這是因?yàn)檩^高的噴涂功率提供了更多的能量，使粉末能夠更好地熔化和沉積。送粉速率的增加也會使涂層厚度有所增加，但當(dāng)送粉速率過高時，由于粉末熔化不充分，會導(dǎo)致涂層質(zhì)量下降，厚度增加不明顯。對于涂層致密度，噴涂功率和送粉速率的影響較為顯著，噴涂距離的影響相對較小。較高的噴涂功率和合適的送粉速率能夠使粉末充分熔化和緊密結(jié)合，從而提高涂層的致密度。當(dāng)噴涂功率為45kW，送粉速率為15g/min時，涂層致密度最高，達(dá)到95%。在結(jié)合強(qiáng)度方面，三個因素都有一定的影響，其中噴涂功率和噴涂距離的交互作用對結(jié)合強(qiáng)度的影響較為顯著。綜合考慮，當(dāng)噴涂功率為45kW，送粉速率為15g/min，噴涂距離為80mm時，涂層的結(jié)合強(qiáng)度最高，達(dá)到60MPa。優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為：噴涂功率45kW，送粉速率15g/min，噴涂距離80mm。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的涂層厚度增加了25μm左右，致密度提高了10%左右，結(jié)合強(qiáng)度提高了15MPa左右，涂層性能得到了顯著提升。3.3再涂覆涂層的微觀結(jié)構(gòu)與性能表征3.3.1微觀結(jié)構(gòu)分析利用掃描電子顯微鏡（SEM）對再涂覆涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，能夠清晰地呈現(xiàn)出涂層的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。從SEM圖像可以看出，再涂覆涂層呈現(xiàn)出典型的層狀結(jié)構(gòu)，這是低壓等離子噴涂工藝的特點(diǎn)之一。涂層中的粒子在高速噴射到基體表面后，相互堆疊、凝固，形成了這種層狀結(jié)構(gòu)。在層與層之間，存在著一些微小的孔隙，這些孔隙的大小和分布對涂層的性能有著重要的影響。通過圖像分析軟件對SEM圖像進(jìn)行處理，計算出涂層的孔隙率約為3%-5%。這些孔隙的存在可能會影響涂層的致密性，從而對涂層的抗氧化、抗腐蝕等性能產(chǎn)生一定的影響。在高溫氧化環(huán)境下，氧氣可能會通過這些孔隙進(jìn)入涂層內(nèi)部，加速涂層的氧化過程。在涂層中，還可以觀察到一些未熔合的顆粒。這些未熔合顆粒的存在，主要是由于在等離子噴涂過程中，部分粉末顆粒未能充分熔化，在撞擊基體表面后，無法與已熔化的粒子良好結(jié)合，從而形成了未熔合顆粒。這些未熔合顆粒的大小不一，形狀不規(guī)則，它們的存在會降低涂層的強(qiáng)度和致密度，在受力時容易成為裂紋的萌生點(diǎn)，影響涂層的使用壽命。在涂層的拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，裂紋往往會在未熔合顆粒周圍產(chǎn)生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致涂層的斷裂。借助透射電子顯微鏡（TEM）對涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的分析，能夠揭示涂層中晶體結(jié)構(gòu)和位錯等微觀缺陷的信息。TEM圖像顯示，涂層中的晶粒細(xì)小，平均晶粒尺寸約為50-100nm。細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)有助于提高涂層的強(qiáng)度和韌性，因?yàn)榫Ы绲脑龆嗫梢宰璧K位錯的運(yùn)動，從而增強(qiáng)材料的力學(xué)性能。在高溫環(huán)境下，細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)還可以提高涂層的抗蠕變性能，延緩?fù)繉拥淖冃魏褪?。在TEM圖像中，還可以觀察到一些位錯和孿晶等微觀缺陷。這些微觀缺陷的存在，會影響涂層的晶體結(jié)構(gòu)和性能。位錯的存在會增加晶體內(nèi)部的應(yīng)力集中，降低涂層的穩(wěn)定性；而孿晶的存在則可能會改變涂層的力學(xué)性能和物理性能。利用X射線衍射（XRD）分析再涂覆涂層的相組成，結(jié)果表明，涂層主要由Ni、Co、Cr、Al等元素的固溶體相以及一些金屬間化合物相組成。在這些相組成中，固溶體相提供了涂層的基本強(qiáng)度和韌性，而金屬間化合物相則對涂層的性能起到了重要的強(qiáng)化作用。在高溫環(huán)境下，金屬間化合物相可以通過彌散強(qiáng)化等機(jī)制，提高涂層的高溫強(qiáng)度和硬度，增強(qiáng)涂層的抗氧化和抗熱腐蝕性能。通過XRD圖譜中各相衍射峰的強(qiáng)度和位置，可以進(jìn)一步分析各相的含量和晶體結(jié)構(gòu)，為深入理解涂層的性能提供依據(jù)。3.3.2結(jié)合強(qiáng)度測試采用拉伸試驗(yàn)和劃痕試驗(yàn)等方法，對再涂覆涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，通過分析測試結(jié)果，可以深入了解涂層與基體之間的結(jié)合機(jī)制。在拉伸試驗(yàn)中，將再涂覆涂層的試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，然后在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸加載。隨著拉伸力的逐漸增加，涂層與基體之間的界面承受的應(yīng)力也不斷增大。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，涂層與基體之間的結(jié)合力被破壞，涂層開始從基體上剝離。通過測量涂層開始剝離時的拉伸力，并結(jié)合試樣的橫截面積，可以計算出涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再涂覆涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)50-60MPa。從結(jié)合機(jī)制來看，涂層與基體之間主要存在機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合兩種方式。在機(jī)械結(jié)合方面，低壓等離子噴涂過程中，高速噴射的粒子撞擊基體表面，產(chǎn)生劇烈的塑性變形，粒子與基體表面的微觀凹凸結(jié)構(gòu)相互嵌合，形成了機(jī)械咬合。這種機(jī)械咬合作用增加了涂層與基體之間的摩擦力，從而提高了結(jié)合強(qiáng)度。在冶金結(jié)合方面，在噴涂過程中，高溫的粒子與基體表面發(fā)生原子間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，形成了一層過渡層。這層過渡層中存在著金屬鍵等化學(xué)鍵，使得涂層與基體之間的結(jié)合更加牢固。在鎳基高溫合金基體上再涂覆MCrAlY涂層時，涂層中的Ni、Cr等元素與基體中的Ni、Cr等元素在高溫下發(fā)生擴(kuò)散，形成了成分漸變的過渡層，增強(qiáng)了涂層與基體之間的冶金結(jié)合力。劃痕試驗(yàn)則是通過在涂層表面施加一定的載荷，用金剛石劃針在涂層表面進(jìn)行劃痕，觀察涂層在劃痕過程中的失效行為，從而評估涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)劃針在涂層表面劃過，隨著載荷的增加，涂層會逐漸出現(xiàn)裂紋、剝落等失效現(xiàn)象。通過記錄涂層開始出現(xiàn)失效時的臨界載荷，可以間接反映涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，再涂覆涂層的臨界載荷約為30-40N。在劃痕過程中，涂層的失效主要是由于劃針的壓力和摩擦力導(dǎo)致涂層與基體之間的結(jié)合力被破壞。當(dāng)載荷較小時，涂層主要發(fā)生彈性變形；隨著載荷的增加，涂層開始出現(xiàn)塑性變形，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，涂層與基體之間的界面處會產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致涂層剝落。3.3.3硬度測試通過硬度測試分析再涂覆涂層的硬度分布，能夠深入探討硬度與微觀結(jié)構(gòu)和成分之間的內(nèi)在關(guān)系。采用維氏硬度計對再涂覆涂層進(jìn)行硬度測試，在涂層表面不同位置進(jìn)行多點(diǎn)測試，以獲取硬度分布情況。測試結(jié)果表明，涂層的硬度呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律，平均硬度約為400-500HV。在涂層與基體的界面附近，硬度相對較低，約為350-400HV；隨著距離界面距離的增加，硬度逐漸升高，在涂層的中部區(qū)域，硬度達(dá)到最大值，約為450-500HV；在靠近涂層表面的區(qū)域，硬度又略有下降，約為400-450HV。從微觀結(jié)構(gòu)角度分析，涂層與基體界面附近硬度較低，主要是因?yàn)樵诮缑嫣幋嬖谥欢ǖ目紫逗腿毕?，這些孔隙和缺陷會降低涂層的致密度，從而影響硬度。在噴涂過程中，由于基體表面的粗糙度和清潔度等因素的影響，界面處的粒子堆積不夠緊密，形成了一些微小的孔隙。這些孔隙的存在使得涂層在受力時容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致硬度降低。隨著距離界面距離的增加，涂層的致密度逐漸提高，孔隙和缺陷減少，粒子之間的結(jié)合更加緊密，因此硬度逐漸升高。在涂層的中部區(qū)域，致密度最高，粒子之間的結(jié)合力最強(qiáng)，所以硬度達(dá)到最大值?？拷繉颖砻娴膮^(qū)域，由于在噴涂過程中粒子受到的冷卻速度較快，結(jié)晶過程不夠充分，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不夠完善，從而使硬度略有下降。從成分角度來看，涂層中的合金元素對硬度有著重要的影響。在MCrAlY涂層中，Cr、Al等元素的固溶強(qiáng)化作用顯著提高了涂層的硬度。Cr元素能夠溶解在基體中，形成固溶體，由于Cr原子與基體原子的尺寸差異，會產(chǎn)生晶格畸變，阻礙位錯的運(yùn)動，從而提高硬度。Al元素除了參與形成保護(hù)性氧化膜外，也能通過固溶強(qiáng)化作用提高涂層硬度。Y元素的加入雖然對硬度的直接影響較小，但它可以改善涂層的組織結(jié)構(gòu)，抑制晶粒長大，從而間接提高涂層的硬度。在高溫退火處理后的涂層中，添加Y元素的涂層晶粒尺寸明顯小于未添加Y元素的涂層，硬度也相對較高。四、再涂覆后MCrAlY涂層的氧化性能研究4.1氧化實(shí)驗(yàn)設(shè)計4.1.1實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置本研究將氧化實(shí)驗(yàn)的溫度設(shè)定為900℃、1000℃和1100℃三個關(guān)鍵溫度點(diǎn)。900℃模擬了一些工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時的溫度工況，在該溫度下，燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件受到高溫燃?xì)獾臎_刷和氧化作用，通過研究此溫度下涂層的氧化性能，可以為燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要參考。1000℃是航空發(fā)動機(jī)燃燒室部分區(qū)域在中等負(fù)荷工況下的典型溫度，航空發(fā)動機(jī)燃燒室在工作時，內(nèi)部燃?xì)鉁囟葮O高，對涂層的抗氧化性能要求極為苛刻，研究該溫度下涂層的性能有助于提高航空發(fā)動機(jī)的可靠性和使用壽命。1100℃則代表了航空發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷工況下，渦輪葉片等部件所承受的高溫環(huán)境，在此溫度下，涂層面臨著更為嚴(yán)峻的氧化挑戰(zhàn)，研究其氧化性能對于提升航空發(fā)動機(jī)的性能和效率具有重要意義。氧化時間設(shè)定為100h、200h和300h。較短的100h氧化時間，可以初步觀察涂層在高溫環(huán)境下的初期氧化行為，了解氧化膜的形成過程和初期生長速率。隨著氧化時間延長至200h，能夠進(jìn)一步研究涂層在較長時間高溫作用下的性能變化，分析氧化膜的生長規(guī)律和結(jié)構(gòu)演變。300h的氧化時間則模擬了涂層在實(shí)際服役過程中較長時間的氧化情況，通過這一時間段的研究，可以更全面地評估涂層的長期抗氧化性能和耐久性。實(shí)驗(yàn)氣氛選擇空氣和含硫氣氛。在空氣中進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)，主要模擬了一般工業(yè)環(huán)境和部分航空發(fā)動機(jī)在清潔空氣環(huán)境下的工作狀態(tài)，空氣中的氧氣是導(dǎo)致涂層氧化的主要因素，研究涂層在空氣中的氧化性能是基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。含硫氣氛則是為了模擬航空發(fā)動機(jī)在燃燒含硫燃料時，熱端部件所處的高溫、高硫腐蝕環(huán)境，以及石油化工等行業(yè)中高溫設(shè)備面臨的含硫氣體腐蝕環(huán)境。在含硫氣氛中，涂層不僅要承受高溫氧化的作用，還要抵抗硫等腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，研究涂層在這種復(fù)雜環(huán)境下的性能，對于提高相關(guān)設(shè)備的抗熱腐蝕能力具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。4.1.2性能測試方法在氧化增重測試方面，使用精度為0.01mg的電子天平對氧化前后的涂層試樣進(jìn)行稱重。在實(shí)驗(yàn)過程中，每隔一定時間（如10h）將試樣從高溫爐中取出，在干燥器中冷卻至室溫后，立即用電子天平稱重并記錄數(shù)據(jù)。通過計算不同氧化時間下試樣的增重情況，繪制氧化增重曲線。在900℃的空氣中氧化時，隨著氧化時間從10h增加到100h，涂層試樣的增重逐漸增加，通過對增重數(shù)據(jù)的分析，可以直觀地了解涂層在該溫度和氣氛下的氧化速率隨時間的變化規(guī)律。對于氧化膜微觀結(jié)構(gòu)分析，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察氧化膜的表面形貌和截面結(jié)構(gòu)。在觀察表面形貌時，能夠清晰地看到氧化膜表面的晶粒大小、形狀以及是否存在裂紋、孔洞等缺陷。在1100℃含硫氣氛中氧化后的涂層，其氧化膜表面可能會出現(xiàn)一些由硫化物引起的腐蝕坑和裂紋。通過對截面結(jié)構(gòu)的觀察，可以了解氧化膜的厚度分布、層狀結(jié)構(gòu)以及與涂層基體的結(jié)合情況。在不同溫度和氣氛下氧化后，氧化膜的厚度和結(jié)構(gòu)會有所不同，通過SEM觀察可以詳細(xì)分析這些差異，探究氧化膜的生長機(jī)制和失效原因。利用透射電子顯微鏡（TEM）對氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的分析，揭示其晶體結(jié)構(gòu)、位錯等微觀缺陷信息，進(jìn)一步了解氧化膜的性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。成分分析采用能譜分析儀（EDS）和X射線光電子能譜儀（XPS）。EDS可以對氧化膜表面的元素種類和含量進(jìn)行定性和定量分析，確定氧化膜中主要元素的分布情況。在含硫氣氛中氧化后，通過EDS分析可以檢測到氧化膜中硫元素的含量和分布，了解硫?qū)ρ趸こ煞值挠绊?。XPS則能夠分析氧化膜表面元素的化學(xué)狀態(tài)，確定元素是以何種化合物的形式存在。在分析氧化膜中的Cr元素時，XPS可以確定Cr是以Cr?O?還是其他鉻的化合物形式存在，這對于深入理解氧化膜的形成機(jī)制和性能具有重要意義。4.2氧化性能測試結(jié)果4.2.1氧化動力學(xué)曲線再涂覆涂層在不同溫度下的氧化動力學(xué)曲線呈現(xiàn)出各自獨(dú)特的變化規(guī)律，這些規(guī)律反映了涂層在高溫氧化過程中的反應(yīng)機(jī)制和性能變化。在900℃的空氣中，再涂覆涂層的氧化動力學(xué)曲線表現(xiàn)出典型的拋物線規(guī)律。在氧化初期，涂層的氧化增重隨時間迅速增加，這是因?yàn)樵诟邷貤l件下，氧氣能夠快速擴(kuò)散到涂層表面，與涂層中的金屬元素發(fā)生反應(yīng)，形成氧化膜。在最初的10h內(nèi)，涂層的氧化增重速率較快，約為0.5mg/cm2/h。隨著氧化時間的延長，氧化增重速率逐漸減緩。這是因?yàn)殡S著氧化膜的不斷生長，氧化膜的厚度逐漸增加，氧氣通過氧化膜擴(kuò)散到涂層內(nèi)部的阻力增大，從而減緩了氧化反應(yīng)的速率。在氧化100h后，氧化增重速率降低到約0.1mg/cm2/h。這表明在900℃的空氣中，再涂覆涂層的氧化過程逐漸進(jìn)入穩(wěn)定階段，氧化膜的生長速率逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高到1000℃時，涂層的氧化動力學(xué)曲線與900℃時相比，氧化增重明顯加快。在氧化初期，氧化增重速率約為1mg/cm2/h，是900℃時的兩倍左右。這是因?yàn)闇囟壬?，氧氣的擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速率都顯著提高，使得氧化反應(yīng)更加劇烈。隨著氧化時間的延長，雖然氧化增重速率也逐漸減緩，但整體的氧化增重仍然比900℃時大得多。在氧化100h后，涂層的氧化增重達(dá)到了約8mg/cm2，而900℃時僅為約4mg/cm2。這說明溫度對涂層的氧化性能有顯著影響，溫度升高會加速涂層的氧化過程，降低涂層的抗氧化性能。在1100℃的高溫下，涂層的氧化動力學(xué)曲線表現(xiàn)出更為復(fù)雜的變化。在氧化初期，氧化增重速率極高，約為2mg/cm2/h，這是由于高溫下氧氣的擴(kuò)散和反應(yīng)速率極快，涂層中的金屬元素迅速被氧化。隨著氧化時間的增加，氧化增重速率并沒有像900℃和1000℃時那樣逐漸穩(wěn)定下降，而是在一定時間后出現(xiàn)了波動。這是因?yàn)樵?100℃的高溫下，氧化膜的生長過程變得不穩(wěn)定，氧化膜可能會出現(xiàn)開裂、剝落等現(xiàn)象，導(dǎo)致新的涂層表面暴露在氧氣中，從而加速了氧化反應(yīng)。在氧化200h左右，氧化增重速率突然增大，這可能是由于氧化膜的局部剝落，使得氧氣能夠直接與涂層基體接觸，引發(fā)了快速的氧化反應(yīng)。這表明在1100℃的高溫下，涂層面臨著更為嚴(yán)峻的氧化挑戰(zhàn)，其抗氧化性能受到了極大的考驗(yàn)。4.2.2氧化膜微觀結(jié)構(gòu)與成分分析通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察不同溫度下氧化后的涂層表面和截面微觀結(jié)構(gòu)，能夠清晰地揭示氧化膜的生長特征和結(jié)構(gòu)變化。在900℃氧化后，從涂層表面微觀結(jié)構(gòu)來看，氧化膜表面較為平整，晶粒細(xì)小且分布均勻。這是因?yàn)樵谙鄬^低的溫度下，氧化反應(yīng)相對較為緩慢，氧化膜的生長較為均勻。在截面結(jié)構(gòu)中，氧化膜與涂層基體之間的界面清晰，氧化膜厚度相對較薄，約為2-3μm。氧化膜呈現(xiàn)出較為致密的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙較少，這使得氧氣難以通過氧化膜擴(kuò)散到涂層基體內(nèi)部，從而有效地保護(hù)了涂層基體。當(dāng)溫度升高到100℃時，涂層表面的氧化膜微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。表面的晶粒尺寸增大，且出現(xiàn)了一些團(tuán)聚現(xiàn)象，這是由于高溫下原子的擴(kuò)散速率加快，晶粒生長和團(tuán)聚的速度也相應(yīng)增加。在截面結(jié)構(gòu)中，氧化膜厚度明顯增加，約為5-6μm，這表明在較高溫度下，氧化反應(yīng)速率加快，氧化膜的生長速度也隨之加快。氧化膜與涂層基體之間的界面仍然較為清晰，但在界面處可以觀察到一些微小的孔洞，這可能是由于氧化過程中產(chǎn)生的氣體無法及時排出，在界面處聚集形成的。這些孔洞的存在可能會降低氧化膜與涂層基體之間的結(jié)合力，影響涂層的抗氧化性能。在1100℃氧化后，涂層表面的氧化膜出現(xiàn)了明顯的裂紋和剝落現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诟邷叵?，氧化膜的生長應(yīng)力和熱應(yīng)力較大，超過了氧化膜的承受能力，導(dǎo)致氧化膜開裂和剝落。在截面結(jié)構(gòu)中，氧化膜厚度進(jìn)一步增加，約為8-10μm，但氧化膜的致密性明顯下降，內(nèi)部出現(xiàn)了大量的孔隙和裂紋。這些孔隙和裂紋為氧氣的擴(kuò)散提供了通道，使得氧氣能夠更容易地到達(dá)涂層基體，加速了涂層的氧化過程。氧化膜與涂層基體之間的界面變得模糊不清，部分區(qū)域出現(xiàn)了氧化膜與基體分離的現(xiàn)象，這表明在1100℃的高溫下，氧化膜的保護(hù)作用已經(jīng)大大減弱，涂層的抗氧化性能急劇下降。利用能譜分析儀（EDS）對氧化膜的成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明，氧化膜主要由Al?O?、Cr?O?和NiO等氧化物組成。在不同溫度下，氧化膜中各成分的含量和分布存在一定差異。在900℃氧化后，氧化膜中Al?O?的含量較高，約占60%-70%，這是因?yàn)樵谳^低溫度下，Al元素的氧化活性相對較高，優(yōu)先與氧氣反應(yīng)形成Al?O?。Al?O?具有較高的熔點(diǎn)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在涂層表面形成一層致密的保護(hù)膜，有效地阻止氧氣的進(jìn)一步侵入。Cr?O?和NiO的含量相對較低，分別約占20%-30%和10%-20%。隨著溫度升高到1000℃，氧化膜中Cr?O?的含量有所增加，約占30%-40%，這是因?yàn)闇囟壬?，Cr元素的氧化活性增強(qiáng)，更多的Cr參與了氧化反應(yīng)。Cr?O?也具有一定的抗氧化性能，能夠提高氧化膜的穩(wěn)定性。Al?O?的含量略有下降，約占50%-60%，NiO的含量變化不大。在1100℃氧化后，氧化膜中NiO的含量明顯增加，約占30%-40%，這是由于高溫下Ni元素的氧化加劇。NiO的存在會降低氧化膜的保護(hù)性能，因?yàn)镹iO的結(jié)構(gòu)相對疏松，氧氣容易通過NiO擴(kuò)散到涂層內(nèi)部。Al?O?和Cr?O?的含量相對下降，分別約占40%-50%和20%-30%。這表明在高溫下，氧化膜的成分發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致其保護(hù)性能下降。4.3氧化性能影響因素分析4.3.1涂層微觀結(jié)構(gòu)對氧化性能的影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)是影響其氧化性能的關(guān)鍵因素之一，其中晶粒尺寸、相組成和孔隙率各自通過獨(dú)特的作用機(jī)制對氧化性能產(chǎn)生顯著影響。晶粒尺寸對氧化性能的影響主要體現(xiàn)在晶界的作用上。較小的晶粒尺寸意味著涂層中存在更多的晶界。在氧化過程中，晶界具有較高的能量，是原子擴(kuò)散的快速通道。當(dāng)涂層處于高溫氧化環(huán)境時，氧氣分子能夠更容易地通過晶界擴(kuò)散到涂層內(nèi)部，與涂層中的金屬元素發(fā)生反應(yīng)。如果涂層的晶粒尺寸較小，在相同的氧化時間內(nèi)，氧氣擴(kuò)散的路徑會更短，擴(kuò)散速率會更快，從而加速涂層的氧化過程。在一些研究中，當(dāng)涂層的平均晶粒尺寸從5μm減小到1μm時，在1000℃的氧化環(huán)境中，氧化速率增加了約30%。然而，較小的晶粒尺寸也并非完全不利，在某些情況下，它可以提高涂層的強(qiáng)度和韌性，增強(qiáng)涂層對氧化膜的支撐作用，抑制氧化膜的開裂和剝落。相組成在涂層的氧化性能中起著至關(guān)重要的作用。在MCrAlY涂層中，不同的相具有不同的抗氧化性能。α-Al?O?相是一種非常穩(wěn)定且具有良好保護(hù)性的氧化物相。在高溫氧化過程中，當(dāng)涂層表面形成連續(xù)、致密的α-Al?O?氧化膜時，它能夠有效地阻擋氧氣的進(jìn)一步擴(kuò)散，減緩?fù)繉拥难趸俾?。這是因?yàn)棣?Al?O?具有較低的氧離子擴(kuò)散系數(shù)，能夠阻止氧氣通過氧化膜進(jìn)入涂層內(nèi)部。而γ-Al?O?相則相對不穩(wěn)定，其晶體結(jié)構(gòu)較為疏松，氧離子在其中的擴(kuò)散速率較快。如果涂層中γ-Al?O?相的含量較高，在氧化過程中，氧氣容易通過γ-Al?O?相擴(kuò)散到涂層內(nèi)部，導(dǎo)致涂層的氧化速率加快。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)涂層中γ-Al?O?相的含量從10%增加到30%時，在1100℃的氧化環(huán)境下，氧化增重明顯增加，氧化速率提高了約50%。金屬間化合物相也會對氧化性能產(chǎn)生影響。一些金屬間化合物相能夠通過固溶強(qiáng)化等機(jī)制提高涂層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而間接提高涂層的抗氧化性能；而另一些金屬間化合物相可能會在氧化過程中發(fā)生分解或與氧氣發(fā)生反應(yīng)，降低涂層的抗氧化性能?？紫堵适怯绊懲繉友趸阅艿牧硪粋€重要微觀結(jié)構(gòu)因素。涂層中的孔隙為氧氣的擴(kuò)散提供了通道。當(dāng)孔隙率較高時，氧氣能夠更容易地通過孔隙進(jìn)入涂層內(nèi)部，與涂層中的金屬元素發(fā)生反應(yīng)，從而加速涂層的氧化。在高溫氧化環(huán)境下，氧氣在孔隙中的擴(kuò)散速率比在致密的涂層基體中快得多。在1000℃的空氣中氧化時，孔隙率為10%的涂層的氧化速率比孔隙率為5%的涂層快約2倍?？紫哆€可能導(dǎo)致涂層內(nèi)部的應(yīng)力集中，在氧化過程中，由于氧化膜的生長和體積變化，會在涂層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果涂層中存在較多的孔隙，這些孔隙周圍會成為應(yīng)力集中點(diǎn)，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，進(jìn)而破壞氧化膜的完整性，加速涂層的氧化和失效。4.3.2活性元素的作用活性元素Y、Zr等在MCrAlY涂層的氧化過程中發(fā)揮著多方面的重要作用，對氧化膜的附著力和生長速率產(chǎn)生顯著影響。在提高氧化膜附著力方面，活性元素Y起著關(guān)鍵作用。Y元素在涂層中的存在形式主要有兩種，一種是以固溶體的形式存在于涂層基體中，另一種是以氧化物或化合物的形式分布在涂層與氧化膜的界面處。當(dāng)涂層發(fā)生氧化時，Y元素會向氧化膜與涂層的界面處偏聚。在界面處，Y元素可以與氧化膜中的Al?O?等氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層富含Y的過渡層。這層過渡層能夠有效地降低界面能，增強(qiáng)氧化膜與涂層之間的結(jié)合力。在高溫氧化過程中，氧化膜會不斷生長，由于熱膨脹系數(shù)的差異，氧化膜與涂層之間會產(chǎn)生應(yīng)力。如果氧化膜與涂層的附著力不足，在應(yīng)力的作用下，氧化膜容易發(fā)生開裂和剝落。而Y元素形成的過渡層能夠緩沖這種應(yīng)力，使氧化膜能夠更牢固地附著在涂層表面，維持氧化膜的完整性，從而提高涂層的抗氧化性能。研究表明，添加了0.5%Y元素的MCrAlY涂層在1000℃的高溫下循環(huán)氧化50次后，氧化膜的剝落面積明顯小于未添加Y元素的涂層，氧化膜的附著力得到了顯著提高?；钚栽豘r對氧化膜的生長速率有著重要的影響。Zr元素能夠在氧化膜中形成細(xì)小的ZrO?顆粒。這些ZrO?顆粒具有較高的穩(wěn)定性和低的氧離子擴(kuò)散系數(shù)。在氧化過程中，ZrO?顆?？梢云鸬阶钃跹蹼x子擴(kuò)散的作用，從而減緩氧化膜的生長速率。當(dāng)氧氣通過氧化膜向涂層內(nèi)部擴(kuò)散時，ZrO?顆粒會阻礙氧離子的運(yùn)動，使氧離子需要繞過這些顆粒才能繼續(xù)擴(kuò)散，這就增加了氧離子的擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散阻力，降低了氧化膜的生長速率。Zr元素還可以細(xì)化氧化膜的晶粒。在氧化膜生長過程中，Zr元素的存在會抑制晶粒的長大，使氧化膜的晶粒更加細(xì)小。細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)可以增加晶界的數(shù)量，而晶界對氧離子的擴(kuò)散也具有一定的阻礙作用，進(jìn)一步減緩了氧化膜的生長速率。在1100℃的氧化環(huán)境中，添加了Zr元素的MCrAlY涂層的氧化膜生長速率比未添加Zr元素的涂層降低了約30%。4.3.3再涂覆工藝的影響再涂覆工藝參數(shù)對MCrAlY涂層的氧化性能有著顯著的影響，不同的工藝參數(shù)會導(dǎo)致涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的氧化性能表現(xiàn)。在低壓等離子噴涂（LPPS）工藝中，噴涂功率是一個關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)噴涂功率較低時，等離子焰流的能量和溫度相對較低，使得MCrAlY粉末不能充分熔化。未充分熔化的粉末在沉積到基體表面后，會形成較多的孔隙和未熔合區(qū)域，導(dǎo)致涂層的致密度降低。在氧化過程中，這些孔隙和未熔合區(qū)域?yàn)檠鯕獾臄U(kuò)散提供了通道，加速了涂層的氧化。在900℃的空氣中氧化時，低功率噴涂制備的涂層在100h內(nèi)的氧化增重比高功率噴涂制備的涂層多約30%。而當(dāng)噴涂功率過高時，雖然粉末能夠充分熔化，但可能會導(dǎo)致粉末過度蒸發(fā)，使涂層中的某些元素含量發(fā)生變化，影響涂層的成分均勻性。過度蒸發(fā)還可能導(dǎo)致涂層表面形成一些微小的空洞，同樣會降低涂層的致密度和抗氧化性能。送粉速率也對涂層的氧化性能有著重要影響。送粉速率過低時，單位時間內(nèi)進(jìn)入等離子焰流的粉末量較少，導(dǎo)致涂層的沉積速率較低，涂層厚度較薄。較薄的涂層在氧化過程中，對基體的保護(hù)作用相對較弱，容易被氧化穿透。送粉速率為5g/min時制備的涂層，在1000℃的氧化環(huán)境中，氧化150h后就出現(xiàn)了明顯的氧化穿透現(xiàn)象。送粉速率過高時，大量的粉末進(jìn)入等離子焰流，會使部分