超高温金属防护涂层中微量活性元素效应研究

Advanced turbine engines with high thrust-to-weight ratio have urged development of metallic protective coatings for superalloys which have the capability of operating at temperatures above 1200 C for more than 1000 hours. NiAl intermetallic compound has exhibited promising oxidation-resistant performance under isothermal condition. Extensive efforts have been tried to improve its poor cyclic oxidation resistance. Reactive element (RE) doped NiAl coatings have recently attracted increasing attentions because the cyclic oxidation lifetime can be improved up to 500 hours, whereas the lifetime is less than 50 hours for the undoped coating. There are different opinions on the mechanism about reactive element effect (REE). It is difficult to make any significant improvement in the cyclic lifetime before the mechanism is fully understood. Based on our recent investigation on nearly 10 reactive elements, it can be concluded that these reactive elements could play different roles in affecting the cyclic oxidation performance despite of their similarity in chemical activity. Some elements could even have negative effect on the performance..Regarding to this, this research project will start to investigate the interaction between reactive elements, electronic structure of metallic atoms and defects in the coating. Also, the project targets at understanding of the mechanisms by which REs will affect diffusion of the elements in the coating, selective oxidation, nucleation and growth of oxides on the coating, and physical and chemical state of the oxide/coating interface. The research results to be achieved in this project will devote to direction for design and development of the metallic protective coating with superior durability of more than 1000 h at temperatures above 1200 C.

随着航空发动机向高推重比发展，迫切需要发展适用于高温合金的、超高温（≥1200℃）、长时（≥1000h）抗氧化的金属防护涂层。NiAl金属间化合物在1200℃具有良好的静态抗氧化性能，国内外多家研究单位针对其循环氧化性能差的问题开展了涂层改性研究，均发现某些活性元素可使NiAl涂层的热循环寿命从不足50小时提高到近500小时，引起国际上极大兴趣与高度关注，同时引发了对活性元素作用机理的争论。由于作用机理不清楚，导致涂层热循环寿命一直徘徊在500小时左右。申请者对近10种活性元素的效应进行了研究，发现尽管这些元素化学性质相近，但作用效果存在显著差异，甚至是负面的。.本项目拟从各种活性元素与NiAl涂层元素的电子结构、微观缺陷等交互作用的研究入手，深入分析各种元素对合金扩散、选择性氧化、氧化物形核生长以及氧化膜/涂层界面状态的影响机制，为超高温、长寿命金属防护涂层的设计与实现提供理论支撑。

随着航空发动机向高推重比发展，迫切要求发展适用于高温合金的、超高温（≥1200℃）、长寿命（≥1000h）抗氧化金属防护涂层。NiAl作为最具潜力的新一代超高温防护涂层候选材料，在1200℃及以上温度工作时，表面氧化膜极易剥落，这限制了它的实际应用。针对这一问题，本项目采用活性元素对其进行了改性，并结合第一原理计算，深入研究了微量活性元素对高温氧化行为的影响机制，为超高温、长寿命金属防护涂层的设计与实现提供了理论支撑。.研究了Dy、Hf、Y、Zr、La等微量活性元素改性NiAl合金的高温氧化行为，发现在降低氧化膜生长速率和提高氧化膜结合力方面的作用效果Hf,Zr>Dy>Y>La。结合第一性原理对活性元素固溶度、与S交互作用以及界面结合强度的模拟计算，揭示了不同活性元素在NiAl中的作用机理。基于此，提出了二元活性元素改性NiAl的方法并阐明了二元活性元素的协同作用机理。.研究了活性元素与高温合金基体元素的交互作用，对比研究了活性元素在干燥和水气环境下对NiAl高温氧化行为的影响机制。揭示了活性元素与Cr、Si以及高温合金难熔元素Re、Mo等的交互作用机制及其对涂层抗高温氧化和热腐蚀的影响机理，阐明了活性元素在水气环境中对氧化膜生长及其黏附性的影响机理。.研究了活性元素改性超高温金属涂层的制备方法，揭示了电子束物理气相沉积（EB-PVD）活性元素改性β-NiAl涂层工艺参数对涂层化学成分、微观组织结构的影响规律，实现了微量元素掺杂金属涂层化学成分与显微结构的精确控制。.针对活性元素在NiAl涂层中的长时有效性问题，开展了微量活性元素改性γ’+β双相Ni-Al合金和涂层高温氧化行为的研究，揭示了一元及二元活性元素改性对Ni-Al高温氧化行为的作用机理，提出了不同相组成Ni-Al涂层中活性元素的选择准则。.最终，考虑到涂层与单晶合金界面阻扩散的问题，发展了界面阻扩散、抗1200℃的活性元素改性的PtNiAlX涂层。