合金基体上玻璃陶瓷复合涂层的原位制备及性能研究

Glass-ceramic coatings possess high resistance to high temperature corrosion and wear, well interfacial bonds and matched CTE (Coefficient of Thermal Expansion) values to the alloy substrates, and higher resistance to thermal fatigue than ceramic coatings. By the incorporation and dissolution of different oxide particles in the media of K2OonSiO2-hydrates, glass-ceramic coatings could be prepared in situ on the alloy substrates. As it could avoid the fusing and milling processes of enamel frits, intrinsic for the traditional techniques in preparing glass-ceramic coatings, decrease the sintering temperature, and adjust easily the compositions of coatings by need, and reduce energy consumption, this in situ preparing technique shows promising prospect in application. At present, the knowledge of sintering mechanisms in situ and the effect of oxide particles inclusion on the thermal physical properties of coatings are still lacking. So, by researching of the interfacial reaction between the included oxide particles and the K2OonSiO2-hydrates, of the forming mechanisms, of the rules of oxides inclusion controlling the thermal physical properties of coatings, and of the high temperature corrosion protection properties of the glass-ceramic coating/alloy substrate systems, the purpose of this project is to make clear the preparation mechanisms and to establish independent sintering techniques, hence, to provide theoretic basis for researching in situ glass-ceramic coatings imperative for superalloy and titanium based alloys substrates.

玻璃陶瓷涂层具有优异的抗高温腐蚀及磨损性能，与合金基体间界面结合和热膨胀系数匹配良好，抗热疲劳性能优于陶瓷涂层。通过以硅酸钾水合物为基质，添加各种氧化物颗粒，可以在合金基体上原位搪烧出玻璃陶瓷涂层。该技术减少了传统玻璃陶瓷涂层技术所需的搪瓷釉块熔炼和磨碎等工序，降低了涂层的搪烧温度，并可根据需要快速调节玻璃陶瓷涂层的成分，节能低碳，具有广阔应用前景。目前对原位搪烧玻璃陶瓷涂层的过程机理以及各种氧化物对所制得涂层热物理性能的影响规律还缺乏认识，故本项目拟通过研究原位搪烧过程中各种氧化物颗粒与硅酸钾水合物基质的界面反应和原位形成玻璃陶瓷涂层的机制、添加氧化物颗粒调节涂层热物理性能的规律、以及原位搪烧的玻璃陶瓷涂层/合金基材体系的抗高温腐蚀性能等，弄清原位搪烧玻璃陶瓷涂层的技术原理并确立自主的搪烧技术，为满足高温合金和钛合金急需的高性能原位搪烧的玻璃陶瓷涂层研发提供理论基础。

玻璃陶瓷涂层由陶瓷相与玻璃相组成，综合了陶瓷相的高温稳定性以及玻璃相的易加工性等优点，具有非常优异的抗高温氧化以及热循环剥落能力。在搪烧过程中，玻璃陶瓷能与合金基体发生化学反应从而形成良好的界面结合。同时，通过涂层中玻璃相的晶化控制，可调整涂层的热膨胀系数以更加匹配合金基体。但是，传统的玻璃陶瓷涂层制备工艺复杂，能耗大；搪烧温度高，影响合金基体力学性能。通过本项目的研究，发明的玻璃陶瓷涂层原位制备技术，成功解决了该涂层的以上两大问题。该原位玻璃陶瓷涂层是以硅酸钾水合物为基质，加入适量的陶瓷颗粒，搅拌得到悬浮液后，涂覆在高温合金以及钛合金基体上，烘干并搪烧而成。项目的主要内容包括以下三大部分：（1）玻璃陶瓷复合涂层的原位生成机制，即陶瓷相与玻璃相的界面反应合成。研究的陶瓷颗粒包括三氧化二铝、二氧化硅、二氧化锆、氧化锌以及二氧化钛。其中三氧化二铝以及二氧化硅的添加提高了涂层的高温稳定性以及力学性能；而二氧化锆以及二氧化钛的添加对涂层稳定性以及力学性能影响不大，但是提高了玻璃相的粘度，从而增加了该玻璃陶瓷涂层的烧结难度；氧化锌的添加则主要打断了玻璃相中的Si-O键，于涂层的高温稳定性不利；（2）陶瓷相对涂层力学性能的影响。提出了陶瓷颗粒对玻璃相的三种增强增韧机制：即偏转机制、桥联机制以及界面反应机制，并推导了通过三种机制增强玻璃相的数学表达式；（3）在钛合金、高温合金基体上原位制备了玻璃陶瓷复合涂层，并分别对其高温防护性能进行表征。.通过该项目的资助，现已完全掌握钛合金上玻璃陶瓷涂层原位制备技术以及涂层对合金基体的防护机理，五种氧化物颗粒与水玻璃的高温界面相容性规律以及氧化物颗粒对水玻璃的热物理性能的影响。而针对高温合金基体，则原位制备了一种新的硼化物基玻璃陶瓷涂层。项目执行三年时间内，发表了SCI收录论文共12篇，申请国家发明专利2项。培养博士生2名。