Pt/Ru提高NiAl粘结层抗氧化和抑制元素互扩散及起皱的协同作用机理研究

燃气涡轮发动机是飞机的心脏，先进高温合金材料是发动机中最为关键的结构材料，为满足燃气涡轮发动机温度不断提高的需求以及发动机恶劣环境下长寿命的要求，研究具有抗氧化、阻扩散和抗起皱热障涂层粘结层对延长热障涂层使用寿命具有重要意义。.本项目针对具有良好抗高温氧化、阻扩散以及出色抗蠕变性能的Pt/Ru改性铝化物涂层开展应用基础性研究，掌握涂层服役过程中互扩散区组织演化规律，建立镍基高温合金基体/Pt/Ru改性铝化物涂层扩散反应动力学模型，揭示Pt/Ru改性铝化物涂层高温氧化过程中元素扩散和氧化膜生长机制，研究氧化过程中界面应力的变化及界面间的粘附性，阐明Pt/Ru提高铝化物涂层抗高温氧化腐蚀性能、抑制元素互扩散及起皱的协同作用机制以及涂层失效机理及主要影响因素，为发展镍基合金表面具有长寿命防护功能的热障涂层粘结层材料与结构的设计理论与方法奠定基础。

项目完成了在镍基高温合金基体表面制备Pt/Ru改性铝化物涂层，制备得到的铝化物涂层由外层富Pt-Ru-Ni-Al层和内层的NiAl层组成，阐明了制备工艺参数对Pt/Ru改性铝化物涂层的组织结构、元素分布和性能的影响规律，揭示了Pt/Ru改性铝化物涂层的形成机理。测试分析了Pt/Ru改性铝化物涂层的抗高温氧化及腐蚀性能，在1150℃下的循环氧化实验证明了Pt, Pt/Ru/Pt和Pt/Ir/Pt改性铝化物涂层具有相近的抗氧化性能，均比简单铝化DZ125的抗氧化性能高得多。尽管 Ru和Ir 都可以减少涂层的成本，并且抑制Hf元素从基体向涂层的外扩散, 但是Ru和Ir在具体作用方面还是有一定不同：Ru对Al有更强的亲和力，并且在提高涂层表面Al含量方面起到的储Al作用更为明显，有利于在氧化过程中提供足够的Al来生成稳定的氧化铝。对比研究了Pt/Ru/Pt以及6Pt涂层和简单铝化DZ125样品在1150℃下氧化1h和3h过程中Al元素的扩散行为。在相同Al浓度下，在Pt/Ru/Pt以及6Pt涂层中Al元素的扩散系数比简单铝化DZ125体系中的小一个数量级。1050℃下在NaCl和水蒸气气氛中的腐蚀实验表明，Pt/Ru改性铝化物涂层比Pt改性铝化物涂层有更好的抗腐蚀性能。腐蚀以后，Pt/Ru改性铝化物涂层表面形成平整、连续且结合良好的氧化铝层，Pt的添加起到了促进氧化铝生成，改善涂层抗氧化性能的作用，Ru的添加增加了涂层的强度，抑制了起皱的发生。因此，Pt和 Ru的协同作用有效提高了涂层的抗腐蚀性能。课题完成了项目的研究内容，达到了项目的研究目标。