Nb-Si基合金超高温涂层失效与热防护机理研究

Nb–Si based alloys are great potential structural materials for aero-engine blades at temperatures above 1200°C. However, a major barrier to the high temperature applications of the Nb–Si based alloys is their poor oxidation resistance. Therefore, it is required to investigate failure and thermal protection mechanism of the coating on the Nb-Si based alloys. The aim of the study is to investigate the phase equilibrium, phase transitions of the Mo-Si-B coating, as well as the effect of adding alloying elements of the coating on the phase composition and stability. The impact of oxidation and mutual diffusion on the coating composition and microstructure will be explored. The influence of temperature, coating composition and microstructure evolution on thermodynamics and kinetics of the coating, oxide microstructure, internal stresses, destruction and regeneration of the oxide formed on the coating will be studied. Coating failure mechanism will be proposed. Microstructure evolution of the mutual diffusion zone and diffusion mechanism will be clarified. The oxidation resistance mechanism and diffusion inhibition mechanism will be revealed. This project lays the foundation for developing the material and structure design theory and method for the protective coating on Nb–Si based alloys

Nb-Si基合金是最具潜力作为制造1200℃以上航空发动机叶片的金属基结构材料，但高温抗氧化性差是制约其工程应用的主要瓶颈问题，迫切需要开展高温防护涂层的失效及热防护机理研究。本项目针对新一代燃气涡轮发动机用1200℃以上超高温涂层，研究Mo-Si-B涂层的相平衡关系与相转变特征，以及合金化元素对相组成和相稳定性的影响规律，阐明温度、氧化及互扩散对Mo-Si-B涂层的成分及微观组织的影响机制；研究温度、涂层成分及微观组织结构演变对涂层高温氧化热力学与动力学、氧化膜的组织结构、内应力及其破坏与再生等影响规律，涂层服役过程中互扩散区的组织演变规律，提出Nb-Si合金表面Mo-Si-B高温防护涂层失效机理及涂层材料/Nb-Si基合金体系中合金元素热扩散与阻扩散机理；揭示复合涂层在抗氧化和抑制元素互扩散等功能实现机制，提出超高温合金表面长寿命防护功能的涂层材料与结构的设计理论与方法。

运用放电等离子烧结（SPS）的方法制备了Mo-Si-B合金，研究了不同成分Mo-Si-B合金的相组成和抗氧化性能。研究发现，Mo-62Si-5B（at.%）合金包含MoSi2基体、MoB相、SiO2相和少量Mo5Si3相。而Mo-57Si-10B和Mo-52Si-15B合金是由MoSi2基体、Mo2B5相、SiO2相和MoB相组成。在1250°C条件下氧化100 h后，Mo-62Si-5B合金的氧化增重最小，为0.21 mg/cm2，具有良好的抗氧化性能。.采用爆炸喷涂Mo层加包埋渗Si-B的两步法在Nb-Si合金表面制备了Mo-Si-B涂层，研究了涂层的制备工艺参数和微观组织形成机理，分析了涂层在1250°C下的氧化动力学与热力学、氧化产物的组织结构和形成过程，揭示了涂层的抗高温氧化机理。Mo-Si-B涂层的氧化增重仅为0.92 mg/cm2。结果表明，Mo-Si-B涂层优异的高温抗氧化性主要是因为生成了硅硼酸盐。少量的B元素可以大大降低SiO2的粘度并且提高SiO2的热膨胀系数，使得该氧化层具有流动性和自愈合的能力。随后，研究了Mo-Si-B涂层与Nb-Si基体在Ar气中的互扩散行为，结果显示在基体与涂层之间形成的互扩散区由外层(Mo, X)5Si3相（X = Nb, Ti, Cr, Hf）和内层(Nb,X’)5Si3相（X’ = Ti, Cr, Hf）组成。随着扩散时间的延长，互扩散层的厚度逐渐增大，涂层不断被消耗，最终会导致涂层失效。.设计并制备了具有良好阻扩散功能、与基体性能匹配的Al2O3、TiN阻扩散层，Al2O3和TiN阻扩散层有效地降低了涂层的氧化增重、互扩散层的增长速率和Si元素的扩散系数。通过沉积Al2O3和TiN阻扩散层，Mo-Si-B涂层在1250°C下氧化100 h的增重由1.36 mg/cm2分别降低到1.17 mg/cm2和0.96 mg/cm2；采用Al2O3阻扩散层后，Si在互扩散区中的扩散系数由10-5 μm2/s（无阻扩散层）降低到10-7 μm2/s，因此，Al2O3具有良好的阻扩散性能。.研究成果可为推重比10及以上航空发动机热端部件高温防护涂层的设计、制备及应用提供依据及保障。