强弱相间和强强相间层状复合涂层的结构与抗高温氧化特性研究

本项目针对合金高温生成的氧化膜和沉积的陶瓷涂层与合金基体的结合力差，容易发生开裂与剥落这一关键科学问题，设计制备强弱相间和强强相间两种层状结构复合涂层。通过纳米、亚微米尺度的两种层状复合结构，调整涂层的平均热胀系数，降低涂层中的热应力，提高涂层的强度与断裂韧性，使层状具有优异的抗开裂、抗剥落性能；通过涂层中分隔为多层的氧扩散障薄膜阻碍氧向合金基体扩散，促进合金的选择氧化，降低热生长氧化膜(TGO)的生长速率，使TGO层与涂层构成新的层状复合保护层，显著提高合金抗高温氧化的特性。研究铁基、镍基高温合金，高铌Ti-Al合金涂覆两种层状结构复合涂层抗高温氧化特性及机理，以及强强相间层状复合涂层抑制热障涂层中TGO生长，提高TGO与金属粘结层、顶陶瓷涂层结合力的特性与机理。为航空、航天、导弹、核聚变等关键工程抗高温氧化材料的发展提供新的理论和新的有效技术途径。

本研究针对合金基体的防护涂层在高温服役过程中产生的氧化及热生长氧化物（TGO）层开裂、剥落等关键科学问题，以层状复合结构的强韧化效应为基础，以提高合金的抗高温氧化性能和防护涂层的力学性能为目标，设计并制备出一系列具有层状结构的新型防护涂层及复合热障涂层，包括强弱相间层状复合涂层、强强相间层状复合涂层、施加强弱相间层状复合粘结层的新型热障涂层及施加强强相间层状复合粘结层的新型热障涂层。.1. 强弱相间、强强相间层状复合涂层主要采用直流及射频磁控溅射法、电沉积法、喷雾热解法等技术制备，高温循环氧化实验表明该类涂层具有良好的抗高温氧化及抗开裂剥落性能，并存在一个尺寸效应，即随着层状涂层的层厚比、层数的增加，涂层的抗高温氧化及抗开裂剥落性能会得到不同程度的提高。.2. 层状复合涂层中的氧化铝或贵金属层通过对合金基体的多重封闭有效阻碍氧的扩散，降低基体附近的氧分压，从而降低合金的氧化速率常数，提高涂层的抗氧化性能。.3. 层状复合涂层能够通过调节涂层热膨胀系数，提高涂层与基体之间的热膨胀匹配度，降低涂层的热应力；通过稀土氧化物弥散增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转及贵金属层的塑性变形消耗、吸收涂层中裂纹扩展的能量，有效提高复合涂层的断裂韧性和强度，从而提高涂层的抗开裂剥落性能。.4. 本研究中自行设计两步循环喷雾热解法，通过将喷雾热解法分成低温喷雾和高温热解两步循环进行，将涂层中不可避免的缺陷逐渐填充修复，从而获得致密的厚涂层结构，提高涂层的抗高温氧化和抗开裂剥落性能。.5. 施加陶瓷/贵金属、陶瓷/陶瓷层状复合粘结层的新型热障涂层由磁控溅射法、喷雾热解法和电子束物理气相沉积制备，研究发现该类热障涂层具有较为优异的抗高温氧化、抗开裂剥落性能及隔热性能，并随着层状复合粘结层层数的增加而有所提高。该复合粘结层与基体及陶瓷顶层结合状况良好，且能避免与基体之间的元素互扩散。.6. 该复合粘结层的强弱相间及强强相间层状复合结构不但能降低涂层的热应力，而且能提高涂层的断裂韧性，从而使热障涂层获得优异的抗高温氧化及力学性能。.7. 本研究为热障涂层的发展提供了新的研究思路和技术途径。