IrAlx/Ir协同增效抗氧化涂层的组织结构调控及其高温失效机理研究

Iridium (Ir), which possesses the lowest oxidation permeability of all the materials known, is one of the most important candidate materials for the ultra-high temperature (>1800℃) oxidation resistant coating. However, the relatively high oxidation and evaporation rates of Ir at high temperatures (1965℃, 35μm/h) greatly reduce its service life. Although Ir-Al alloy has better oxidation resistance, the oxygen permeability resistance of the Ir-Al alloy is inferior to that of the pure Ir. In order to solve this problem, the partial modification of Ir coating by aluminizing is proposed in this item. After the aluminizing modification, an IrAlx/Ir multilayer coating composed of an Ir-Al alloy top layer and an Ir inner layer can be obtained, which possesses both outstanding oxidation resistance and excellent oxygen permeability resistance, due to the synergy of the sub-layers in the multilayer coating. The effects of the processing parameters of aluminizing and heat treatment on the microstructure of IrAlx/Ir coating will be investigated to find out its microstructure control mechanism. The microstructure evolution and oxidation behavior of IrAlx/Ir coating at different temperatures will be studied to figure out the synergy mechanism of the sub-layers in the IrAlx/Ir coating, and finally to reveal the high-temperature failure mechanism of IrAlx/Ir coating with different structures. The aim of the item is to provide a theoretical guidance for the structure design and performance optimization of the IrAlx/Ir coating.

铱（Ir）具有目前所有已知材料中最低的氧渗透率，是超高温（>1800℃）抗氧化涂层的重要候选材料之一。但Ir在高温下较快的氧化挥发速率（1965℃，35μm/h）严重影响其使用寿命。采用合金化法制成Ir-Al合金可以获得较低的氧化挥发速率，但其抗氧渗透性远不及纯Ir。为此，本项目采用渗铝方法对Ir涂层进行局部合金化改性，使其表层形成抗氧化性较好的Ir-Al合金涂层，同时保留底层Ir涂层用作氧扩散阻挡层，形成兼顾抗氧化性和抗氧渗透性的IrAlx/Ir多层涂层。通过研究渗铝工艺及热处理条件对IrAlx/Ir涂层组织结构的影响，探索其组织结构的调控规律；通过研究IrAlx/Ir涂层在不同温度下的组织演变和氧化行为，探究涂层中各亚层间的协同作用机制，揭示不同结构IrAlx/Ir涂层的高温失效机理。为IrAlx/Ir涂层的层状结构设计及性能优化提供理论依据和指导。

本项目以改善和提升Ir涂层的高温抗氧化性和服役寿命为目标，通过固渗方法实现Ir涂层的表层合金化改性，制备协同增效IrAlx/Ir涂层并对其高温氧化烧蚀行为进行研究，得到以下主要研究结论：.1）通过固渗工艺研究，总结了不同渗剂不同温度下渗层的生长动力学规律，绘制了“固渗工艺-涂层厚度”图，获得了不同渗剂中渗层生长的扩散激活能；通过高温热处理条件研究，阐明了不同气氛条件下Al元素的扩散和迁移规律；据此提出了“高活性渗铝+热处理”的渗层组织结构调控方法，为渗铝层的组织结构调控提供了理论依据和技术途径。.2）对单层和双层Ir-Al涂层在1400-2000℃间的静态氧化行为研究后发现，渗铝改性处理对Ir涂层的抗氧化性提高显著，1800℃时单层和双层Ir-Al涂层的氧化净失重率较纯Ir均降低90%以上，发现了Ir-Al双层涂层在快速升温至1600℃以上时特有的“熔融-氧化”现象，结合相图热力学计算分析阐明了“熔融-氧化”现象对涂层氧化失重行为和表面形貌的影响机制，揭示了“外层涂层中的Al含量-涂层氧化机制（内/外氧化）-涂层氧化形貌-涂层氧化失重”间的内在联系；基于Ir-Al涂层在不同氧化温度下的截面组织研究，总结了两种结构Ir-Al涂层高温氧化时的组织演变规律和高温失效机制，为渗铝改性铱涂层高温抗氧化性能的充分发挥及进一步改善奠定了理论基础。.3）通过Ir-Al涂层在高频等离子风洞中的烧蚀行为研究，发现单层和双层Ir-Al涂层由于外层中Al含量的差别，导致其氧化机制和热响应行为出现显著差异，在相同考核条件下（3.35 MW/m2），单层和双层Ir-Al涂层由于分别发生内、外氧化，表面分别形成Al2O3+Ir’混合层和致密Al2O3层，从而表现出较高和较低的热响应，两种涂层均通过了2000s连续烧蚀考核，实现了零烧蚀；单层和双层Ir-Al涂层的烧蚀极限热流密度分别为3.75 MW/m2和3.35 MW/m2，两种结构Ir-Al涂层的失效原因均是驻点温度达到Al2O3的熔点，导致Ir’层暴露，引发涂层热响应突增，最终导致Ir-Al涂层甚至是Ir层超温熔化。Ir-Al涂层的风洞烧蚀行为研究为理解涂层在非平衡热环境中的服役行为奠定了理论基础。