镍基单晶高温合金用抗高温氧化和抑制针状TCP相形成的铂铝/纳米晶双层涂层研究

Single crystal (SX) structural material, high temperature protective coating and high efficiency cooling technics act as the three key technologies for gas turbine blades serving in advanced air engines. Above 1050°C, the element interdiffusion between coating and substrate has induced more than 50% of mechanical property decrease for Ni-base SX superalloys, which further retards the progression of developing superior high-thrust-ratio gas turbine engines. Based on the principle of phase equilibrium, the current project utilizes a nanocrystalline coating (same composition to the SX alloy) serving as the buffering diffusion barrier to prepare a (Ni,Pt)Al coating in resisting high temperature oxidation by means of electroplating Ni/Pt and successive aluminization, aiming to improve the oxidation resistance without deteriorating mechanical property for Ni-base SX alloys. By investigating the effects of Ni/Pt plating thicknesses, nanocrystalline characteristics and aluminising activity on the microstructure of obtained (Ni,Pt)Al/nanocrystalline duplex coating, the interface stabilization mechanism and the how they affect oxidation resistance and mechanical property of substrate alloy will be revealed. An empirical equation will be derived from the tests to predict life time of the dual-layer coating. The present study is devoted to supply experimental facts and theoretically support the assumption that significantly extending life time for Ni-base SX alloys by employing a duplex (Ni,Pt)Al/nanocrystalline coating.

单晶材料、高温涂层和高效冷却是先进航空发动机叶片的三大技术关键。在1050℃以上，涂层与基体间的元素互扩散引起镍基单晶高温合金力学性能下降超过50%，严重影响了高推比先进动力推进系统航空发动机的发展。本项目基于相平衡原理，拟采用与基体同成分的纳米晶涂层为阻扩散缓冲层，在该层表面依次镀镍、铂后渗铝的方法制备铂铝抗氧化层，以实现不影响基体力学性能前提下提高其抗氧化性能的目的。通过研究这种双层涂层在高温条件下微观结构随着镍和铂层的厚度、纳米晶涂层的微观结构及渗铝量的演变规律，揭示双层涂层的界面稳定性、抗氧化和高温力学性能的影响机制，建立涂层寿命经验数学模型，为延长镍基单晶高温合金的服役寿命提供实验依据和理论支持。

随着航空发动机涡轮进口温度的不断提升，高温合金中难熔金属（Re、W、Mo、Ta等）含量进一步提高，而Al、Cr等抗氧化有益元素含量有所降低。与其他高温合金一样，单晶高温合金制备的航空发动机热端部件服役前必须涂覆金属粘结层进行保护。由于高温防护涂层中Al含量较高，高温下与单晶基体的元素互扩散会破坏单晶基体γ/γ'共格结构，降低基体合金的力学性能，大量消耗涂层中的Al并加速涂层退化，最终降低涂层的有效服役寿命。因此，理想高温防护金属粘结层应具备优异的抗高温氧化性能，同时对单晶基体的力学性能影响较小。. 为了解决单晶高温合金表面涂覆高温防护涂层后，由于元素互扩散导致单晶内大量生成拓扑密堆（TCP）相和形成二次反应区（SRZ）的难题，本项目针对具有良好抗高温氧化性能的铂铝涂层，通过在单晶与铂铝涂层之间引入纳米晶层、预镀镍层以及Re基扩散障的各种手段，减少和抑制上述元素互扩散，开展了涂层制备科学，恒温氧化、循环氧化等性能测试和评价研究，同时研究了涂层微观结构演变和退化规律，采用透射的方法证实了Re基扩散障具有σ相结构，1100°C条件下可保持长期稳定存在，而且该扩散障较好地固定了Cr和Mo等难熔元素，使得单晶内的难熔元素较少扩散至涂层表面，氧化膜的粘附性获得提升，与此同时由于Al向内扩散量减少，涂层的退化速率降低，低扩散铂铝涂层的抗氧化寿命明显优于普通铂铝涂层。. 通过项目的资助，目前已完全掌握低扩散铂铝涂层的制备科学和工艺流程，该涂层同性能承温能力较普通铂铝涂层可提升50°C，有望在先进航空发动机和长寿命舰用燃气轮机获得应用，相关技术已申请发明专利一项，发表学术论文14篇（第一和通讯作者12篇），其中腐蚀领域TOP期刊Corrosion Science上发表7篇，国内期刊4篇。项目执行期间，培养博士毕业生5名，其中4人分别获得师昌绪一、二、三等奖。