高温抗氧化Mo(Si,Al)2/(Cr+Si)复合涂层引起Nb-Si基合金力学性能退化的机理研究

Mo(Si,Al)2/(Cr+Si)复合涂层是Nb-Si基合金基体抗高温氧化的组织保证。申请者发现Mo(Si,Al)2/(Cr+Si)复合涂层使Nb-Si基合金1250℃抗氧化性能达到抗氧化级，但抗拉强度下降约33%，复合涂层大幅降低Nb-Si基合金的承载承温能力。涂层引起基体表面组织结构和力学状态的变化是影响基体力学性能改变的主要因素。本项目采用包埋渗和低压等离子喷涂技术在Nb-Si基合金表面制备Mo(Si,Al)2/(Cr+Si)复合涂层，探索涂层组织、涂层与基体间互扩散和涂层与基体间应力状态对基体合金高低温力学性能的影响规律，明确热力耦合作用对复合涂层抗高温氧化性能的影响机理，研究复合涂层+基体体系高低温损伤失效机理，揭示复合涂层引起Nb-Si基合金力学性能退化的机制，确定抑制Nb-Si基体力学性能退化并保证高温抗氧化的Mo(Si,Al)2/(Cr+Si)复合涂层优化结构和制备工艺。

Nb-Si基合金是具有承温能力超过1200ºC的新型金属间化合物基超高温结构材料，是当前材料领域的研究热点之一，其高温抗氧化性能必须由抗氧化涂层来支撑。但涂层降低了Nb-Si基合金的高温强度，即承载承温能力。这是因为涂层引起了基体表面组织发生变化，从而当温度变化时涂层界面产生了热应力，影响的合金整体的力学性能。本研究通过开展：1）多元Nb-Si-Ti-Cr-Hf-Al-Fe、Nb-Si-Ti-Cr-Al-V基体合金的组织与性能；2)包埋渗Al-Si-Y、Si-B、Si-Ce复合涂层的组织结构演化与高温抗氧化性能；3）涂层界面应力随温度变化的规律；4）不同涂层厚度对拉伸力学性能的影响规律和机制等工作，明确了涂层引起Nb-Si合金高温强度退化机理，主要创新工作为：.1）发现Fe和Cr分别加入Nb-Si-Ti-Cr-Hf-Al-Fe和Nb-Si-Ti-Cr-Al-V合金系，形成NbSS/Nb5Si3/Nb4FeSi和NbSS/Nb5Si3/Cr2Nb三相组织，多元Nb4FeSi和Cr2Nb是脆性的低熔点相，对室温强度有利，但降低韧性和高温强度。定向凝固提高了合金的高温强度和韧性。2）发现涂层抗氧化性与基体合金成分相关。Al-Si-Y，Si-B，Si-Ce三种复合涂层由外层、中间层和内层构成。外层是 (Nb,X)Si2相，Al-Si-Y涂层的中间层是(Nb,X)5Si3相，内层是(Nb,Ti)3(Al,X)；Si-B与Si-Ce的复合涂层中间层是(Nb,X)5Si3和(Nb,X)Si2混合物，内层是(Nb,X)Si。14Cr合金上的三种涂层内含Cr量高于2Cr合金，提高了抗氧化性，1250ºC/100小时达到抗氧化级。涂层表面更容易形成流动的SiO2层，阻碍了O向基体扩散。3）明确了涂层厚度与热应力分布的关系。由于涂层与基体的相组成不同，造成界面之间因热膨胀不匹配产生热应力，且与涂层厚度有关。发现当涂层与基体厚度比为1:10时（涂层厚150微米）热应力大于厚度比1:20涂层（涂层厚75微米）的热应力，面内方向上的应力大于离面方向的应力。4）发现涂层厚度影响拉伸强度。厚度比为1:20的涂层/基体从室温到1250ºC抗拉强度与裸合金强度相同，因为涂层界面热拉伸应力小；而1:10的涂层/基体的强度明显低于裸合金的强度，厚涂层中界面热拉伸应力大，涂层中产生裂纹，造成低应力断裂。