Nb基合金超高温涂层的组织结构控制及长效策略

Nb及Nb合金熔点高，高温力学性能好，耐腐蚀，是重要的高温结构候选材料。但高温抗氧化性差是制约其应用的关键。表面获得硅化物涂层是目前常用的方法。但这些涂层超高温下短寿，需要开发新型复合涂层。本项目以Wagner选择性氧化和Fick扩散定律为理论指导，设计Nb基超高温防护涂层，以表面机械研磨纳米化表层晶粒，协同Al和Y等元素的合金化作用控制涂层的组织结构，通过Cr2O3/Al阻扩散层的加入限制元素互扩散，研究阻扩散层厚度、成分、界面产物和界面应力等对涂层/基体界面结合强度的影响，计算阻扩散层的有效扩散阻挡系数，分析影响元素扩散阻挡能力的关键性因素，结合高温氧化和服役条件下的材料失效，建立涂层的寿命预测模型。该项目既是对选择性氧化理论和扩散定律的检验和支撑，也是开发Nb基合金超高温防护涂层的实践和尝试，为进一步推广Nb基合金的应用提供理论指导，为其他高温防护涂层的研究提供参考。

通过物理气相沉积技术制备了含铝外层、含扩散阻挡层的铌基涂层体系，考查了涂层的抗氧化能力和元素的扩散行为，研究了涂层体系的微观结构演变和界面结合情况变化，分析了Al合金化对铌基涂层性能的影响，以及元素扩散、成分和界面应力对涂层界面结合的影响，讨论了涂层的使役寿命。结果表明，Al合金化能提高铌基涂层的抗氧化性能，过快的元素扩散会导致涂层主体部分出现多孔结构，降低其保护性和使用寿命；Al外层涂覆可使铌基涂层抗氧化性大幅度提高，表面形成连续致密的氧化铝膜，涂层/基体及涂层/氧化膜界面结合良好。低氧含量的扩散阻挡层有很好的元素扩散阻挡能力，高氧含量的扩散阻挡层应力较大，易形成裂纹等缺陷，影响其界面结合和阻挡能力。用包埋渗技术可以在铌合金表面获得强界面结合、优氧化能力的富铝涂层；中间层的加入能提高溶胶凝胶氧化物涂层的抗氧化能力和界面结合性能。.按计划完成了项目的研究，发表了文章10篇(其中SCI 5篇)，申请了国家发明专利3项，在国际学术会议报告4次，培养硕士研究生4名。