隨著“大推重比”這一*燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)的日益明顯,渦輪葉片的工作溫度在持續(xù)升高,這必然對(duì)葉片上擔(dān)負(fù)高溫防護(hù)功能的熱障涂層金屬粘結(jié)層的服役性能提出了更高要求;然而,當(dāng)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(hù)性氧化膜在高溫氧化和熱腐蝕環(huán)境中極易揮發(fā),其高溫防護(hù)性能難以滿足越來(lái)越高的服役溫度要求?？梢?研制新型高溫防護(hù)性能更優(yōu)異的熱障涂層金屬粘結(jié)層已成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于傳統(tǒng)鋁化物涂層憑借NiAl金屬間化合物優(yōu)異的熱穩(wěn)定性一直在高溫防護(hù)領(lǐng)域中扮演著重要角色,本文基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析,提出采用激光熔覆技術(shù)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(jìn)一步改善其高溫防護(hù)性能,文中較為系統(tǒng)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(xì)化、親氧元素?cái)U(kuò)散、β-NiAl相轉(zhuǎn)變以及氧化膜生成機(jī)制等角度研究了高溫環(huán)境下納米稀土的納米/活性元素效應(yīng)對(duì)激光熔覆NiAl涂層高溫防護(hù)性能的影響。本文的重點(diǎn)研究方向及初步成果包括以下5個(gè)方面:（1）以稀釋率為評(píng)價(jià)指標(biāo),綜合熔覆層表面平整性和橫截面幾何尺寸,對(duì)GH4033表面激光熔覆Ni Al涂層的工藝參數(shù)進(jìn)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(shù)對(duì)熔覆層成形質(zhì)量的影響,并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化獲得了本文實(shí)驗(yàn)條件下以大光斑直徑制備NiAl熔覆涂層的*工藝參數(shù),即激光功率950W、掃描速度300mm/min、壓片厚度0.5mm。（2）通過(guò)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(jié)晶形態(tài)、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(duì)NiAl涂層組織演變的影響及其規(guī)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?yōu)楸馄綘?涂層中的氣孔、偏析等缺陷消失,晶粒被細(xì)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(duì)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(huán)境下的氧化行為。研究結(jié)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(kuò)散速度亦遠(yuǎn)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(shí)氧化膜基本上由Al2O3構(gòu)成。從氧化動(dòng)力學(xué)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(duì)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(huán)境下的熱腐蝕行為。研究結(jié)果表明:原始NiAl涂層經(jīng)過(guò)80h熱腐蝕后,涂層表面出現(xiàn)了一定程度的疏松現(xiàn)象,涂層表面氧化膜已經(jīng)基本脫落,涂層內(nèi)腐蝕嚴(yán)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(nèi)腐蝕的深度減小,其表面無(wú)明顯的脫落和隆起。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huán)境下的熱震行為。研究結(jié)果表明:原始NiAl涂層經(jīng)過(guò)30次熱震循環(huán)后,其表層以及涂層與基體的界面處均出現(xiàn)了裂紋,而納米CeO2改性后的NiAl涂層在界面處無(wú)明顯裂紋,其表層裂紋也很少,可見納米稀土通過(guò)改善涂層組織進(jìn)而大大抑制了涂層熱沖擊裂紋的形成。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guó)仍依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀,本文通過(guò)對(duì)摩擦材料的基體、摩擦組元、潤(rùn)滑組元以及制備工藝的設(shè)計(jì),進(jìn)行了對(duì)高速列車制動(dòng)閘片耐磨性、摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的系統(tǒng)研究,成功制備出了滿足時(shí)速380km/h高速列車制動(dòng)要求的銅基粉末冶金剎車片,進(jìn)行了1：1臺(tái)架試驗(yàn),結(jié)果*鐵路聯(lián)盟(UIC)及中鐵認(rèn)證中心(CRCC)的要求。基體組分中添加不同種類、粒度及含量的Fe粉強(qiáng)化基體時(shí),添加粒度為dso=75μm的霧化鐵粉含量為22wt%左右時(shí)的摩擦材料微觀結(jié)構(gòu)致密,強(qiáng)度高,耐磨性好,但是隨Fe粉含量增加,材料導(dǎo)熱性下降。由于A1203彌散強(qiáng)化銅導(dǎo)熱性好、高溫強(qiáng)度好及耐磨性好,材料中加入適量A1203彌散強(qiáng)化銅粉可提高基體的耐磨性,且當(dāng)A1203彌散強(qiáng)化銅含量小于30wt%時(shí),基體連續(xù)性好,基體與摩擦組元和潤(rùn)滑組元的結(jié)合界面孔隙少,超過(guò)30%時(shí)顆粒之間孔隙明顯增加,含量為10wt%～30wt%時(shí)剪切強(qiáng)度zui高為25MPa、導(dǎo)熱系數(shù)zui高為48.1W/m·K、摩擦系數(shù)zui高為0.256,磨損量zui低達(dá)0.009mm/次·面,此時(shí)主要以氧化磨損為主,表面氧化膜較完整。不同摩擦組元對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性有較大影響,傳統(tǒng)的陶瓷摩擦組元A1203與基體金屬潤(rùn)濕性差,結(jié)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(jié)合緊密,不容易脫落,提高了材料的摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性,但顆粒與基體的結(jié)合仍是機(jī)械結(jié)合,高速下仍會(huì)脫落,導(dǎo)致摩擦系數(shù)仍較低。加入不同碳含量的CrFe,發(fā)現(xiàn)其與基體間均存在一定固溶度,結(jié)合緊密,在高速摩擦?xí)r仍結(jié)合牢固不易脫落,摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)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(shù)提高12%以上,摩擦系數(shù)穩(wěn)定性提高10%以上,含量為6wt%。石墨具有良好的高溫潤(rùn)滑作用,在摩擦材料中是*的,但是石墨與銅基體潤(rùn)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(shí)綜合性能,但材料導(dǎo)熱性、力學(xué)性能降低。論分析與模擬計(jì)算對(duì)摩擦材料的導(dǎo)熱性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明石墨垂直于摩擦表面取向分布可使材料導(dǎo)熱性明顯提高,表面溫度明顯降低。針對(duì)高鐵剎車片表面溫升的問(wèn)題,對(duì)石墨取向性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明：石墨沿垂直于摩擦面方向取向后,材料基體連續(xù)性提高,摩擦表面上無(wú)暴露大片石墨,且表面石墨分布均勻,材料導(dǎo)熱系數(shù)提高了1倍以上,表面zui高溫度平均降低了60℃,摩擦系數(shù)降低1%但仍符合要求,摩擦系數(shù)穩(wěn)定性提高了14%以上,線磨損量降低10%以上通過(guò)對(duì)壓制壓力、燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力的設(shè)計(jì),得出了*制備工藝。根據(jù)成分研究結(jié)果制定的配方,制得的摩擦材料硬度(HRR)為62(進(jìn)口件56),剪切強(qiáng)度為43.2MPa(進(jìn)口件22.4),導(dǎo)熱系數(shù)為122.4W/m·K(進(jìn)口件44.2)。經(jīng)中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證(常州)機(jī)車車輛配件檢驗(yàn)站有限公司1：1臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè),結(jié)果表明：所制備高鐵剎車片平均磨損量為0.05cm3/MJ小于國(guó)外樣品(0.133cm3/MJ);摩擦系數(shù)高且穩(wěn)定,380km/h制動(dòng)時(shí)仍在規(guī)定范圍內(nèi)；表面zui高溫度612℃：坡道連續(xù)制動(dòng)摩擦系數(shù)比進(jìn)口件高,且連續(xù)制動(dòng)時(shí)表面溫度比進(jìn)口件低；所有測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足CRCC大綱要求,結(jié)果表明研制出的剎車片具備CRH380A型車的裝車條件。
會(huì)員1.png)