高性能熱擴散鋁化物涂層，包括鉑改性、活性元素改性、硅改性、鉻改性鋁化物涂層等，是先進航空發動機及燃氣輪機渦輪葉片高溫腐蝕防護的主要方法之一。然而，在傳統的粉末包埋、料漿擴散和氣相熱擴散鋁化物涂層制備技術中，存在著涂層有害元素摻雜和有毒氣體釋放的頑疾。為了解決有害元素摻雜影響涂層性能的問題，國外開發了化學氣相沉積鋁化物制備技術。然而在化學氣相沉積中采用的三氯化鋁等先驅體，具有很強的腐蝕性，不僅導致設備壽命短，而且污染環境。

    針對上述兩個問題，金屬所高溫防護涂層課題組沈明禮副研究員等近期研發出顛覆傳統的“綠色”滲鋁技術，使先進鋁化物涂層制備達到像真空鍍膜一樣的無毒氣排放、無有害元素摻雜要求，涂層抗氧化性能優越于普通的鋁化物涂層。“綠色”滲鋁技術，基于真空高密度鋁等離子體輻照效應，通過高密度鋁離子的沉積、注入、濺射和輻照增強擴散機制，可實現無有害元素摻雜的高性能鋁化物涂層的高效可控、無毒氣排放制備。例如，以純鎳為基體，可通過調節等離子體能量分別獲得δ-Ni2Al3和β-NiAl涂層，鋁化物涂層生長模式近乎線性（圖1），與鍍膜生長類似，明顯不同于傳統熱擴散滲鋁涂層的拋物線生長模式。借助該方法還可獲得亞微米級超細晶β-NiAl滲層，這是傳統熱擴散滲鋁難以做到的。“綠色”滲鋁涂層抗氧化性能明顯優于傳統熱擴散滲鋁涂層，以鑄造高溫合金K438G為例，對比“綠色”滲鋁與傳統包埋法獲得的β-NiAl滲層1000oC氧化行為（圖2），可見“綠色”滲鋁涂層氧化動力學拋物線常數可降低一個數量級，達到PtAl涂層水平。

    該工藝具有以下特點：

    1. 滲鋁在真空中進行，采用高純鋁靶材供給鋁等離子體，結合離子濺射清洗作用，最大限度抑制有害元素在鋁化物涂層內夾雜；

    2. 由于輻照增強擴散效應，鋁化物涂層生長速率高，并且生長速率和厚度可通過等離子體密度和能量進行靈活調控，生長速率5-50 ?m/h可調；

    3. 可在多孔葉片高效制備鋁化物涂層，而不會發生像粉末包埋法導致粉末堵孔的現象；

    4. 可通過改變靶材成分，制備出稀土及多元素改性鋁化物涂層；

    5. 滲層生長速率滿足線性模式，利于控制厚度，便于滿足工程化應用的批次穩定性要求；

    6. 易于局部制備滲鋁層，如渦輪葉片僅需在葉身制備滲鋁層，往往在葉根和葉尖要避免滲鋁，通過對葉根和葉尖簡單遮擋可僅針對葉身進行滲鋁（圖3）；

    7. 制備工藝綠色環保，不存在毒性氣體釋放問題，符合《中國制造2025》規劃綱要提出的制造業高端化、綠色化發展思路。

    值得一提的是所研發的等離子輻照滲鋁技術裝備完全為自主設計研發，金屬所具備完全的自主知識產權，已申報國家發明專利，為高溫合金葉片滲鋁工藝升級換代提供了保障和基礎，相關機理研究已公開發表在Scientific Reports（6,26535（2016），doi:10.1038/srep26535）。研究工作得到了國家自然科學基金（51301185）、973（2012CB625100）和863（2012AA03A512）的資助。

    （a）等離子輻照“綠色”滲鋁示意圖及純鎳上獲得的（b-i,b-ii） δ-Ni2Al3和（b-iii,b-iv）β-NiAl滲層，（c） XRD譜，（d） 涂層元素分布及（d） 生長動力學

    鑄造高溫合金K438G“綠色”滲鋁和傳統包埋滲鋁涂層1000 oC高溫氧化行為：（a）氧化動力學曲線，（b）氧化500 h后的XRD譜，（c）氧化動力學常數，（d）“綠色”滲鋁層及（e）粉末包埋滲鋁層氧化500 h后的截面照片

    經“綠色”滲鋁處理的高溫合金葉片，有涂層的葉身部分呈玫瑰色，無涂層的榫頭和葉尖部位呈金屬本色。

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責任編輯：王元

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