铌基超高温合金/硅化物涂层界面扩散动力学及互扩散行为研究

本申请项目针对新一代燃气涡轮发动机先进Nb-Si基合金与其表面硅化物防护涂层在高温下的互扩散行为，借助Thermo-Calc软件构筑任一组元化学位与合金成分依赖关系，采用Dictra软件计算二元及多元互扩散系数，利用多元唯象理论和Redlich-Kister关系式，建立二元互扩散系数和多元互扩散系数之间的定量关系，然后在此基础上建立硅化物涂层/Nb基合金扩散反应动力学模型。考虑到所有扩散原子化学位与其成分和温度的依赖关系以及合金元素之间的交互作用，计算Si以及其它合金元素在涂层母体和合金基体中的互扩散系数，以理解涂层界面有害相析出、孔洞形成、界面迁移等多元扩散微观机制。同时，开展硅化物涂层/Nb基合金界面多元扩散反应、涂层服役过程中互扩散区组织演化规律以及涂层失效机制等问题的研究，提出涂层使用寿命预测的理论模型，为设计和开发高性能铌基超高温合金高温防护涂层提供理论支撑。

本项目研究了Nb-Si基高温合金上Cr-Si、Cr-Si-Ce 、Al-Si-Y及Al-Si-Hf等共渗涂层的制备以及共渗涂层的组织结构，并对所得合金-涂层试样1250℃进行了高温氧化实验，实验结果表明，涂层主要由NbSi2相组成，在1250℃下氧化100h后各涂层表面都形成了一层具有保护性的SiO2层，有效的提高了合金的抗高温氧化性能。在此基础上，本项目研究了Nb-Si基高温合金上Cr-Si，Al-Si-Y共渗涂层在高温氧化下的元素互扩散行为。氧化过程中，在高温合金基体上形成了由最外层保护性SiO2玻璃层，及成分为(Nb, X)5Si3 + SiO2玻璃（X代表Al，Ti，Cr）的中间层组成的多层结构。高温氧化下的高温合金-涂层系统可视为，由Nb-Si基高温合金基体、中间层（ (Nb, X) 5Si3 + SiO2玻璃）以及SiO2玻璃层组成的多层固-固扩散偶体系，这使得该高温合金-涂层系统中间层（ (Nb, X)5Si3 + SiO2玻璃）中的元素平均有效互扩散系数计算成为可能。计算结果显示，Nb的平均有效相互扩散系数显著地小于其它元素的平均有效相互扩散系数，进一步地还通过阿伦尼乌斯公式计算得到了该体系中Nb元素的扩散激活能为353.2 kJ / mol。本研究的成果也有助于多元多相高温合金涂层系统中的元素扩散行为分析。