镍铝合金表面高温氧化保护层生长规律的原位研究

Thermal barrier coatings (TBCs) can reduce the metal temperature and result in a significant increase in performance and efficiency of gas turbine engines. Therefore, TBCs have been developed as one of the key techniques for heat protection of aeroengines. The safe and reliable application of thermal barrier coating in aeroengines is a key problem which needs to be solved urgently in our country. The interface oxidation in service leads to formation of a layer of thermally grown oxide at the interface between the ceramic layer and the bond coat. The rapid growth and thickening of the thermally grown oxide will lead to the failure of TBCs. Therefore, interface oxidation is a key factor resulting in the failure of TBCs. In order to control the oxide growth, and avoid the interface oxidation induced TBCs failure, the challenge is clearly understand the fundamental mechanism of the oxide growth at the microscale. In order to resolve this problem, state-of-the-art instruments including in-situ TEM and in-situ synchrotron x-ray diffraction are employed to experimentally monitor the oxidation process, and the associated microstructure and microstrain evolution in the oxide and oxide/substrate interface. Coordinated theoretical modeling using the first-principles based thermodynamics and first-principles computed reaction barriers will be employed to elucidate the interplay between kinetic and thermodynamic variables in the oxide formation. The combined in-situ experiments and modeling will not only identify the key thermodynamic and kinetic factors that lead to the formation of structurally and chemically stable oxide layer to protect the underlying substrate but also provide the scientific basis for dealing with the interface-oxidation induced failure and effectively controlling the surface oxidation of nickel aluminum alloys.

热障涂层能够显著降低合金表面温度，提高发动机热效率，是高性能航空发动机的关键技术之一。将热障涂层安全可靠地应用在航空发动机上是国家急需解决的关键问题。在服役环境下，热障涂层发生界面氧化现象，即陶瓷层与粘结层之间的界面生长一层热生长氧化物。热生长氧化物迅速生长、变厚，则很容易导致热障涂层失效。界面氧化是导致热障涂层失效的关键因素。为了控制氧化物生长，避免热障涂层界面氧化失效所面临的挑战性问题是：如何揭示氧化物的生长规律？针对这一科学问题，本项目拟主要采用原位透射电镜，原位同步辐射X射线衍射等先进仪器和第一性原理以及热力学和动力学等理论分析方法，通过对镍铝合金高温氧化引起的微结构和微应力应变演变进行原位研究，揭示氧化物的生长规律，控制氧化物生长，以获得致密，稳定的氧化层，从而提高其对基底的保护性能，为避免热障涂层陶瓷层/粘结层界面氧化失效以及有效控制镍铝合金表面氧化提供科学依据。

热障涂层(TBCs)能够显著降低合金表面温度，提高发动机热效率，是高性能航空发动机的关键技术之一。在服役环境下，热障涂层的陶瓷层/粘结层界面热生长氧化物迅速生长、变厚，则很容易导致热障涂层失效。为了控制氧化物生长，我们主要开展的研究工作如下：（1）实验上，主要采用透射电镜(TEM)对比研究了NiAl合金在氧气和水蒸气下的氧化行为。研究表明：在H2O中生成的氧化膜比O2中的更厚。最初形成的氧化膜是单层γ-Al2O3，随后转变为α-Al2O3/γ-Al2O3双层结构。理论上，采用第一性原理方法，研究了水蒸气环境下H2O分解产生的H质子对合金氧化产生的氧化铝相中Al、O原子缺陷的形成、迁移和聚集的影响。通过实验和理论相结合，揭示了水蒸气影响氧化膜生长的原子机理，提出了通过调节氧化气氛来控制合金氧化过程中氧化膜生长的动力学方法。（2）实验上，主要采用TEM研究了Hf对NiAl合金界面氧化行为的影响。掺Hf的NiAl合金高温氧化生成γ-Al2O3和θ-Al2O3。在粘结性较好的γ-Al2O3/NiAl界面处观察到了析出的HfO2颗粒。在θ-Al2O3/NiAl界面处观察到了由θ-Al2O3和NiAl2O4交替生长的多层氧化物结构，氧化物中还弥散分布着HfO2颗粒。理论上，采用第一性原理方法，研究了Hf 在氧化铝/合金界面附近的扩散动力学过程。研究表明，氧铝膜中的Al空位在影响Hf原子的界面偏析和HfO2的形核方面起着关键作用。我们的结果展现了一种通过控制Al2O3的物相和化学计量比来控制活性元素界面传输的新方法。（3）主要采用TEM研究了大气等离子喷涂(APS)TBCs界面氧化引起的组织结构演变。随着氧化过程的进行，YSZ/NiCrAlY界面上的热生长氧化物(TGO)由双层结构演变为三层结构，再演变为四层结构。我们揭示了层状TGO的生长机理，为避免TBCs界面氧化失效提供了新思路。