01.作者簡介

白明文 博士 英國考文垂大學

2015年畢業于英國曼徹斯特大學，獲得博士學位，導師為肖平教授 (現任英國皇家工程院講席教授、英國材料學會表面工程委員會主席)。畢業后受英國工程與自然科學委員會 (EPSRC) 資助，先后在英國諾丁漢大學和謝菲爾德大學從事博士后研究，并于2020年加入英國考文垂大學，任助理教授；2011年起，長期與英國勞斯萊斯公司合作，從事航空發動機熱障涂層的研發與應用；在本領域國際重要SCI期刊發表論文40余篇 (總引用900余次，H因子16)，研究成果在國際性材料大會上報告10余次，2次在美國國際熱噴涂大會上獲“最佳論文獎”，擁有1項國際發明專利和2項中國專利；2021年獲得英國注冊工程師 (CEng) 認證，同時擔任英國材料學會 (IOM3) 會員、 MDPI Coatings 期刊編委會成員。

02. 文章導讀

熱障涂層能顯著提高航空發動機的效率和推重比，因具備保護渦輪葉片的能力而獲得廣泛運用，其構成一般由外表面的陶瓷隔熱層和抗高溫氧化的中間粘結層組成 (如圖1所示)。在熱障涂層體系中，粘結層抗高溫氧化性能的好壞直接決定了熱障涂層體系的服役性能和壽命，因而受到國內外研究者的關注。通過貴金屬鉑改性的粘結層具有優異的抗高溫氧化和熱腐蝕綜合性能，其表面生成的連續致密氧化鋁膜的抗剝落性強，是對金屬粘結層進行高溫防護的優選方案。

圖1. 熱障涂層的結構圖。

近年來，英國勞斯萊斯公司最先開發了具有γ/γ‘雙相的鉑擴散粘合層，其制備過程省去了常規的滲鋁流程，降低了制備成本，有效替代了傳統β相鉑粘結層。然而，在長期使用過程中，由于涂層界面附近的鉑會不斷擴散至耗盡 (如圖2)，已嚴重危及熱障涂層壽命。目前尚未找到合適的解決辦法，工業只能通過使用更高鉑含量的粘合層來抵消擴散損耗，因此，實際涂層成本仍然很高。

圖2. 電子探針顯微分析鉑在1150度50小時擴散和氧化之后的元素分布圖。

03. 研究內容

在這項研究中，作者通過對CMSX-4第三代單晶高溫合金進行選擇性腐蝕，首次研制出具有單相 (γ或γ') 的改性鉑擴散粘結層。單相鉑粘結層的制備工藝見圖3。與傳統的γ/γ’雙相粘結層相比，單相粘結層顯示出獨特的擴散行為。尤其令人驚訝的是，通過研究發現，鉑在γ‘相粘結層中極為穩定，擴散損耗顯著減少，這意味著可以有效節省鉑用量。然而，在γ相粘結層中鉑的消耗更為嚴重。

圖3. 單相鉑粘結層的制備工藝示意圖。

圖4顯示的是γ’單相鉑粘結層橫截面的掃描電鏡照片。從照片A和B中可以清楚地看到通過全新的制備工藝，鉑完全取代了γ相網格，并在1150度50小時氧化后仍保持單相穩定。

圖4. 掃描電鏡照片：γ‘單相鉑粘結層在1150度50小時氧化前后對比。

該涂層技術已在2015年申請了國際專利 (專利號WO 2015181549)，其亮點在于可有效阻止鉑在高溫下的擴散損耗問題，能減少約77%的貴金屬鉑材料用量，從而大大降低了熱障涂層的材料成本。此外，本文作者通過Thermo-Calc熱力學計算，詳細闡述了鉑在γ’單相中熱穩定性被提升的原理：鉑擴散主要取決于其它合金元素不同程度上的相互作用。圖5顯示，γ‘相中富含的鋁和鉭可大大降低鉑的活度，抑制其向γ相中擴散，從而將鉑有效地穩定在γ’單相中。

圖5. Thermo-Calc熱力學計算得到的在1150度下其它合金元素含量對鉑的活度的影響。

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原文出自Coatings 期刊

Bai, M.; Chen, Y.; Sun, Y.; Xiao, P. Mitigation of Platinum Depletion in Platinum Diffused Single Phase Bond Coat on CMSX-4 Superalloy. Coatings 2021, 11, 669.