高溫防護涂層進展

　　報告人：王福會

　　中國科學院金屬研究院

　　金屬腐蝕與防護國家重點實驗室

　　個人簡介：

       中國科學院金屬研究所二級研究員、博士生導師，96年度國家杰出青年基金獲得者。國家金屬腐蝕與防護重點實驗室主任。

　　主要從事高溫腐蝕與表面工程研究。中國腐蝕與防護學會第二屆青年工作委員會主任、中國腐蝕與防護學會高溫專業委員會主任、中國機械工程學會表面工程分會副主任委員、《腐蝕科學與防護技術》主編。2008年被聘為國際高溫腐蝕與防護會議顧問委員 。

　　需求：航空發動機

　　發動機是飛機的“心臟”，高性能發動機的特點之一是高的渦輪前進口溫度

　　金屬涂層：涂層與基體合金完全不同
 

　　存在問題：

　　1.表面氧化消耗導致涂層性能退化

　　2.界面擴散嚴重影響基體力學性能

一、高溫合金納米晶涂層

　　2010年度遼寧省自然科學一等獎

鑄造合金：形成Cr₂O₃                            膜納米晶：形成Al₂O₃膜

 

　　提出了“高溫合金通過納米化實現自防護”的新概念

二、Cr-Al-Y共沉積涂層
 

　　目的：

　　• 研制新型涂覆技術，用于渦扇發動機的三聯葉片，既保持抗燃氣腐蝕性能，又改善涂層均勻性#p#副標題#e#

　　性能：

　　• 良好均勻性

　　• 抗熱腐蝕

　　制備工藝
 

　　1.噴涂Y料漿

　　2.Y-Cr共滲:含Cr粉末包埋熱擴散

　　3.二次滲鋁:FeAl粉末包埋熱擴散

1000℃×4h、1200℃×4h 滲Cr涂層

　　二次離子質譜儀結果：

　　• 肯定了Y在涂層中的存在

　　•Y含量由外到內指數遞減

CrAlY涂層外層厚約40-50μm

1050℃×60 min 1000℃×4 h

　　高溫氧化結果(1000℃)

#p#副標題#e#

恒溫氧化截面形貌(300h)

K417G:NiO (NiCr₂O₄) + NiO(TiO₂) + Al₂O₃
NiCrAlY: Al₂O₃膜


　　K438: Cr₂O₃ (NiCr₂O₄) + NiO(TiO₂) + Al₂O₃
NiCrAlY: Al₂O₃

氧化膜斷口形貌

　　稀土Y的REE作用：提高了氧化膜的粘附性

　熱腐蝕實驗(Na₂SO₄/K₂SO₄)

　　K417G合金與涂層試樣熱腐蝕動力學和宏觀形貌

　　K417G: 20h

　　NiCrAlY ：200h

　　利用Cr-Al-Y共沉積制備NiCrAlY涂層

　　• 良好均勻性

　　• 抗熱腐蝕

　　• 抗高溫氧化

三、擴散障涂層

　　涂層與合金基體元素互擴散產生二次反應區，形成TCP有害相，嚴重影響基體力學性能

　　必須設計具有阻擴散功能的金屬/金屬涂層界面

　　涂層設計的思想

　　J_Ni=C_Ni D_(barrier)δC_Ni/δX

　　1.在該層中元素擴散速率慢#p#副標題#e#

　　2.化學相容性

　　3.熱力學穩定

　　4.與合金及涂層結合力

　　5.界面處機械性能

　　Ⅰ：τ₃-NiTi₂Al₃+TiAl
　　Ⅱ：τ₃-NiTi₂Al₃
　　Ⅲ： τ₄-Ni₂TiAl
　　Ⅳ：γ'-Ni₃Al

　　TiAl/NiCrAlY 1000^OC退火不1h結果



TiAl/NiCrAlY 1000^OC退火100h結果



TiAl/Cr₂O₃/NiCrAlY體系200hrs@1000 ℃

　　TiAl/Cr₂O₃/NiCrAlY體系100hrs@1000 ℃EPMA結果

　　

氧化物分解壓

　　TiAl/YSZ/NiCrAlY體系100h@1000 ℃

#p#副標題#e#

　　“活性”擴散障
 

　　• 金屬擴散障結合力好，阻擋擴散弱

　　• 氧化鋁擴散障阻擋擴散強，結合力差
 

四、金屬搪瓷復合涂層
 

　　添加金屬：提高熱膨脹系數

　　增加結合強度

　　1000OC水淬100次結合非常好
 

　　納米金屬顆粒顯著提高熱膨脹系數

　　

　　熱腐蝕 850℃，25％NaCl+75％Na₂SO₄
 

　　

　　空氣噴涂+高溫處理SKE-8涂層(金屬搪瓷)

總結

　　一、高溫合金納米涂層解決了傳統涂層的脆性和互擴散兩大問題。#p#副標題#e#

　　二、 Cr-Al-Y共沉積涂層可以解決復雜形狀葉片的均勻性問題。

　　三、 8wt%Y₂O₃+ZrO₂(YSZ)為最好的活性擴散。

　　四、金屬復合搪瓷在很多高溫部件上有廣泛的應用前景。

結束語

　　中國腐蝕與防護學會新一屆理事會，在陳光章理事長的領導下、李曉剛秘書長為首的秘書處的努力下、全國腐蝕界的大力支持下、把大專院校和科研院所與企業很好地融合在一起，使腐蝕的科學研究走向了一條正確的路線，中國的腐蝕與防護研究一定會有光輝的未來!

　　呼吁：全國腐蝕界進一步團結起來，在各種計劃(人才、自然科學基金)評審中互相支持，并特別關注40歲以下的年輕一代(80-90后)，希望在這一代上盡快培養出領軍人物，使中國的腐蝕與防護事業再上一個新臺階!