脉冲电子束作用下MCrAlY粘结层微结构调控及热腐蚀性能研究

Thermal barrier coatings (TBCs) technology, which has been extensively applied in advanced aviation, navigation, and ground engines, is one of the most high-end technologies. The hot corrosion behavior of MCrAlY bond coat in the molten salt condition is directly related to the service life and safety performance of TBCs. In order to improve the hot corrosion performance at high temperature, this project is devoted to present a new route to modify the thermal-sprayed bond coat of TBCs at the micro level by high current pulsed electron beam (HCPEB). The research can realize the micro-modulation of thermally grown oxide (TGO) by forming the microcrystalline particles, changing the element diffusion, adjusting the stress state and healing the thermal spraying shortcomings of bond coat after HCPEB irradiation. The influence of the microstructures of bond coat on the controlled grown of TGO by systematical structure characterization will be investigated. Additionally, the mechanism of hot corrosion enhancement by adjusting microstructures of bondcoat after HCPEB treatment will be also explored. Subsequently, we are planning to develop a new method to prepare TBCs with improved hot corrosion resistance by establishing the relationships among microstructures of bond coat, controlled grown of TGO and the performance of TBCs. This research can present some necessary theoretical and technical supports for improving the service life, reliability and comprehensive performance of TBCs.

热障涂层(TBCs)技术属于现代航空、航海、地面燃机等军民两用的高端技术，在熔盐环境下TBCs中MCrAlY粘结层的热腐蚀行为与TBCs服役寿命和安全性能直接相关。本项目以改善热障涂层热腐蚀性能为主要研究目标，利用强流脉冲电子束(HCPEB)辐照等离子喷MCrAlY粘结层，在微观层面上有目的地调控粘结层组织结构，通过在粘结层中形成微晶和/或纳米颗粒、驱动元素迁移、调整残余应力、治愈热喷涂缺陷等方式，实现对热生长氧化物(TGO)生长行为的微观调控；通过精细的结构表征，探寻HCPEB改性粘结层微观结构对TGO层生长与演化行为的影响规律，在此基础上重点研究TGO微观控制生长对涂层热腐蚀性能的改善机制，建立改性粘结层微观结构-TGO受控生长-热腐蚀性能三者的关系，进而提出一种新的提高TBCs耐热腐蚀性能的制备方法，为设计寿命更长、可靠性更好、综合性能更强的高温TBCs提供必要的实验依据和理论储备。

MCrAlY高温防护涂层技术已广泛用于现代航空、舰船和地面发电用的各种燃气涡轮发动机上，在熔盐环境下MCrAlY涂层的热腐蚀行为与其服役寿命和安全性能直接相关。热生长氧化物的非受控生长是导致MCrAlY涂层在热腐蚀环境中产生失效的主要因素。本项目利用脉冲电子束技术对等离子喷涂制备的MCrAlY表面进行强化处理，在微观层面上有目的地调控涂层表面组织结构，以实现对热腐蚀过程中热生长氧化物生长行为的有效控制，旨在改善MCrAlY的高温服役性能。. 利用脉冲电子束技术对不同工艺制备的MCrAlY涂层及部分航空材料进行表面强化处理，通过调整辐照工艺参数对材料表面进行重熔与净化处理并获得理想的组织结构，揭示了电子束工艺与材料表面之间耦合特性及相互作用机制。. 针对等离子喷涂制备的MCrAlY涂层在不同热腐蚀温度以及不同熔盐环境中的热腐蚀失效问题，研究了脉冲电子束辐照效应对热腐蚀环境中保护性氧化膜的微观控制生长过程。结果表明在不同热腐蚀环境下，原始涂层表面保护性氧化膜均未形成，在热腐蚀后期氧化物发生溶解及破裂，且涂层内部产生严重的内氧化及硫化；脉冲电子束处理促进了热腐蚀初期重熔层表面快速形成保护性氧化膜，且有效提高了氧化膜的化学稳定性，实现了在微观层面上有目的、精确地控制热腐蚀环境中Al2O3氧化膜的连续生成，在此基础上揭示了原始涂层热腐蚀性能失效机制以及基于微观结构控制的改性涂层热腐蚀增强机制。. 拓展研究了电弧离子镀工艺制备的MCrAlY涂层微观结构及抗高温氧化性能，利用脉冲电子束技术消除溅射涂层表面缺陷，形成致密、光滑且细化的重熔层，通过微结构的调控有效控制了热生长氧化物的微观生长过程。高温氧化实验结果表明，原始涂层高温氧化200h后涂层完全失效，而处理涂层表面依旧由单一且致密的Al2O3构成，涂层抗高温氧化性能得到大幅度改善。由此提出脉冲电子束技术可以作为提高MCrAlY系列涂层高温性能的有效手段。