渦輪發動機的熱端部件通常在惡劣的環境下長期服役，尤其是在海洋性服役環境中（海洋大氣中存在大量NaCl顆粒和水蒸氣）。渦輪發動機中較高的工作溫度與含有NaCl和水蒸氣的侵蝕性環境相結合，使得熱端部件遭受嚴重的高溫腐蝕，從而導致發動機的使用壽命大大縮短。由于MCrAlY（M = Ni 和/或 Co）涂層因在高溫侵蝕性環境中的優異表現，已作為高溫防護涂層或熱障涂層體系（TBC）中的粘結層（BC），用以保護熱端部件免遭高溫腐蝕。事實上，涂層的抗高溫腐蝕性能取決于表面形成的氧化膜特性，通常連續、單一、粘附、熱力學和化學性質穩定的Al₂O₃膜是最佳選擇。但是，由于MCrAlY涂層中的Al含量相對較低，在高溫氧化或腐蝕的過程中，生長的氧化膜中包含Al₂O₃和非保護性氧化雜質，這會對涂層的性能造成不利影響。因此，尋求簡單、高效和經濟的方式提高涂層的表面氧化膜生成能力和特性，是提升熱端部件耐高溫腐蝕性能的有效手段。

采用試驗與計算相結合的方式明確模擬海洋環境中HVOF噴涂 NiCoCrAlY涂層的高溫腐蝕機理，以及Pt改性和預氧化的改善作用機理。

1. 腐蝕測試方法

圖1 鹽霧熱暴露腐蝕設備的結構示意圖

每一個腐蝕周期包括：將試樣放置在鹽霧箱（3.5 wt.% NaCl溶液，溫度35 °C）中進行22 h鹽霧試驗；然后將其迅速移入1000 °C馬弗爐中進行2 h的高溫腐蝕測試。采用該模式，模擬船舶發動機在海洋環境中需經歷反復的駐留和巡航。

2. 三種涂層的鹽霧熱暴露腐蝕行為

圖2 鹽霧熱暴露腐蝕過程中的氧化膜厚度變化曲線（a）和氧化膜厚度的平方與循環次數的擬合曲線（b）

PP-NiCoCrAlY涂層上的氧化膜最薄，且生長速率最為緩慢，其次為P-NiCoCrAlY涂層，說明了Pt改性和預氧化處理可降低涂層的腐蝕速率。

圖3 NiCoCrAlY（a，d）涂層腐蝕33個周期、P-NiCoCrAlY（b，e）和PP-NiCoCrAlY（c，f）涂層腐蝕50個周期后的表面和截面形貌

PP-NiCoCrAlY涂層經過長期腐蝕后，表面氧化膜仍保持薄且完整連續的狀態，涂層內未發生腐蝕以及退化行為，說明了Pt改性和預氧化處理可以提高涂層的高溫腐蝕性能。

（注：Pt改性縮寫為 “P”；預氧化+Pt改性縮寫為“PP”。）

3. Pt改性及預氧化處理的作用

圖4 Cl在β-NiAl相（a）、γ-(Ni,Cr,Al)相（b）、PtAl₂相（c）和摻Pt的γ-(Ni,Cr,Al)相(110)表面的吸附能分布情況

Cl在Pt周圍的吸附作用較弱，吸附的穩定性較差，說明Pt會阻礙Cl的吸附，從而阻礙涂層中的金屬元素發生氯化反應，進而減緩涂層的氧化/腐蝕速率，提高涂層的耐腐蝕性能。

圖5 （a）12 ps后摻Cl的α-Al₂O₃的穩定結構示意圖；（b）（a）中標注的O、Cl和Al原子的平均擴散系數；（c）2 ps和12 ps時，摻Cl α-Al₂O₃在[0001]晶向的原子間鍵強

預氧化處理形成的完整連續的α-Al₂O₃膜在含氯環境具有較高的穩定性，可作為阻擋層，有效保護涂層遭受侵蝕性環境的影響。

Pt改性和預氧化處理工藝的協同作用提高了涂層表面氧化鋁膜的穩定性，降低了涂層的腐蝕敏感性，使得涂層腐蝕和氧化速率緩慢，擁有更長使用壽命潛力。

本研究評估了三種涂層（NiCoCrAlY，P-NiCoCrAlY和PP-NiCoCrAlY）的抗高溫氧化和抗高溫腐蝕性能，驗證Pt改性和預氧化處理可對涂層性能提升提供有效貢獻，為開發和設計面向于近海領域的高溫防護涂層提供新思路及理論參考。研究團隊下一步將探究高速、高溫及高腐蝕耦合因素對涂層服役行為的影響，并進一步提高涂層的穩定性和使用壽命。

【通訊作者】

鮑澤斌

團隊負責人

中國科學院金屬研究所 研究員

鮑澤斌，男，工學博士，中國科學院金屬研究所課題組長，博士生導師，2011年度中國科學院金屬研究所“引進優秀學者”入選者，中國腐蝕與防護學會杰出青年，擔任中國腐蝕與防護學會高溫專業委員會副主任（兼秘書長），《Corrosion Communications》、《中國腐蝕與防護學報》等期刊編委，在材料表面與工程研究部從事高溫腐蝕與防護研究工作，主要研究方向為航空發動機/燃氣輪機用熱障涂層設計、制備與評價，熱障涂層成分、結構設計及界面穩定性調控，高韌性高溫無相變熱障陶瓷涂層制備與應用，以及高溫防護涂層電化學退除與再修復、高性能高溫防護涂層設計等。作為負責人主持國家自然科學基金，兩機專項，國家部委基礎科研、民口配套、基礎加強，廣東省重點領域研發項目等項目近二十項。在Journal of Materials Science & Technology、Journal of Advanced Ceramics、Corrosion Science、Journal of Applied Surfaces、Surface & Coatings Technology等權威期刊已發表論文90余篇，授權國家發明專利10余項。