摘要：航天用高溫合金在服役時，都需要在其外表面涂敷防護涂層。這一方面可增強合金材料的抗高溫氧化與腐蝕性能，而且涂層本身較薄，不影響材料的力學性能。文章簡單介紹了近年來高溫合金表面常用的一些高溫防護涂層，如鋁化物涂層、包覆涂層、熱障涂層以及濺射納米晶涂層等。

關鍵詞：高溫合金；防護涂層；高溫氧化；熱腐蝕

眾所周知，性能越是先進的渦輪發動機，它的進口溫度也越高。對于航空發動機的葉片來說，不但需要優良的高溫機械性能，還要具備極佳的抗氧化性能和抗腐蝕性能。僅依靠改善葉片材料本身的性能已經無法滿足這些要求，而高溫防護涂層的出現，成功解決了這一問題。高溫合金的防護涂層大多數較薄，一般來說起到保護基體合金不受高溫氧化腐蝕的作用，而對高溫下機械強度的要求可以讓合金基體承擔，這種設計能夠大幅度地提高合金的使用年限。

1 鋁化物涂層

鋁化物涂層最早是使用粉末包埋法制備的。在鎳基合金的外表面經過擴散滲鋁的方法，可以得到金屬化合物。在高溫腐蝕環境中，這些金屬間化合物的表面就會生成具有保護性的氧化膜，從而提高了合金基體的抗氧化性能。制備這種擴散涂層的方法比較多，常用的方法有包埋滲鋁法、熱浸滲鋁法等。

簡單滲鋁涂層的抗氧化性能較好，工藝簡單，成本低廉。但也存在不少缺點，如抗熱腐蝕性能較差、退化速度過快等，20世紀60年代末期，新式的鋁化物涂層開始出現。有人發現，在一般的滲鋁涂層里添加微量的RE等，能夠極大地增強傳統鋁化物涂層的抗腐蝕性[1]。

除了上述的改性鋁化物涂層之外，還有Al/Si復合涂層、RE/Al復合涂層、難熔元素/鋁化物復合涂層等，這些通過改進的滲鋁涂層基本上都提高了傳統鋁化物涂層的抗高溫氧化及抗腐蝕性，其應用前景非常好。

2 包覆涂層

在1960年之后，等離子噴涂技術、磁控濺射技術及電子束沉積等技術的快速發展，MCrAlY包覆涂層逐漸發展，并迅速在高溫腐蝕防護領域得到推廣。該涂層與合金基體的兼容性非常好，具有高韌性、較高的熱強度、優異的抗氧化性能與抗腐蝕性能，最關鍵的一個優點是可以通過優化沉積參數和時間來調節涂層的厚度。

目前制備MCrAlY涂層的方法比較多，常用的方法包括物理沉積法、多弧離子鍍法、磁控濺射法等，另外，還有近年來流行的噴涂技術，例如等離子噴涂法、火焰噴涂法以及氬氣罩等離子噴涂法。

3 熱障涂層（TBCs）

眾所周知，航空燃汽輪機的進口溫度和推重比越來越高，渦輪發動機的燃氣溫度及壓力等參數也不斷提升。為了能夠在這種復雜苛刻的環境長時間服役，一種新型的復合涂層出現了，這就是熱障涂層。熱障涂層一方面能夠降低發熱零件的使用溫度，防止材料的氧化及熱腐蝕，另一方面也能讓傳統的防護涂層煥發新的活力。

現在，制備新型的熱障涂層有兩種方法：電子束氣相沉積法以及等離子噴涂法。該涂層在熱循環條件下服役時，涂層內部可能產生很大的熱應力而導致開裂或剝落，最終導致熱障涂層失效。目前，科學家設計出的多層系統/梯度熱障涂層體系在一定程度上克服了上述缺點，但因其成本太高、制備工藝繁瑣，未投入應用。

4 濺射納米晶涂層

20世紀90年代，中國科學院金屬所的科學家樓翰一和王福會等[2]首次提出了自防護合金的理論，采用磁控濺射的方法研制出一種新型的微晶涂層體系，就是后來被人們所熟知的納米晶涂層。

納米晶涂層有很多優點，例如抗恒溫氧化的性能、抗循環氧化的性能、優異的抗剝落性能和極佳兼容性。這種涂層與合金基材具有完全一樣的元素成分，因此在長期服役時，就不會出現與其他傳統防護涂層一樣的二次反應區，并形成有害的TCP相[3]。表面納米化極大地提高了合金的抗氧化性能和熱腐蝕性能。

5 發展趨勢及應用前景

綜上所述，未來一段時間，高溫防護涂層研究的重點仍舊是抑制涂層與合金基體在高溫下的互擴散及脆性相。與此同時，采用先進技術逐漸延長涂層的服役壽命，優化制備工藝，降低制備成本。隨著表面納米技術的不斷進步，與合金基體同成分的納米晶涂層將成為研究的熱點，這種涂層具有很好的應用前景。

[參考文獻]

[1]GOWARD G W.Progress in coatings for gas turbine airfoils[J].Surface and Coatings Technology，1998（108/109）：73-79.

[2]WANG F H.The effect of nanocrystallization on the selective oxidation and adhesion of Al2O3 scales[J].Oxidation of Metals，1997（3-4）：215-224.

[3]WANG X Y，XIN L，WANG F H，et al.Influence of sputtered nanocrystalline coating on oxidation and hot corrosion of a nickel-based superalloy M951[J].Journal of Materials Science & Technology，2014（9）：867-877.