高温防护涂层进展

　　报告人：王福会

　　中国科学院金属研究院

　　金属腐蚀与防护国家重点实验室

　　个人简介：

       中国科学院金属研究所二级研究员、博士生导师，96年度国家杰出青年基金获得者。国家金属腐蚀与防护重点实验室主任。

　　主要从事高温腐蚀与表面工程研究。中国腐蚀与防护学会第二届青年工作委员会主任、中国腐蚀与防护学会高温专业委员会主任、中国机械工程学会表面工程分会副主任委员、《腐蚀科学与防护技术》主编。2008年被聘为国际高温腐蚀与防护会议顾问委员 。

　　需求：航空发动机

　　发动机是飞机的“心脏”，高性能发动机的特点之一是高的涡轮前进口温度

　　金属涂层：涂层与基体合金完全不同
 

　　存在问题：

　　1.表面氧化消耗导致涂层性能退化

　　2.界面扩散严重影响基体力学性能

一、高温合金纳米晶涂层

　　2010年度辽宁省自然科学一等奖

铸造合金：形成Cr₂O₃                            膜纳米晶：形成Al₂O₃膜

 

　　提出了“高温合金通过纳米化实现自防护”的新概念

二、Cr-Al-Y共沉积涂层
 

　　目的：

　　• 研制新型涂覆技术，用于涡扇发动机的三联叶片，既保持抗燃气腐蚀性能，又改善涂层均匀性#p#副标题#e#

　　性能：

　　• 良好均匀性

　　• 抗热腐蚀

　　制备工艺
 

　　1.喷涂Y料浆

　　2.Y-Cr共渗:含Cr粉末包埋热扩散

　　3.二次渗铝:FeAl粉末包埋热扩散

1000℃×4h、1200℃×4h 渗Cr涂层

　　二次离子质谱仪结果：

　　• 肯定了Y在涂层中的存在

　　•Y含量由外到内指数递减

CrAlY涂层外层厚约40-50μm

1050℃×60 min 1000℃×4 h

　　高温氧化结果(1000℃)

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恒温氧化截面形貌(300h)

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


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

氧化膜断口形貌

　　稀土Y的REE作用：提高了氧化膜的粘附性

　热腐蚀实验(Na₂SO₄/K₂SO₄)

　　K417G合金与涂层试样热腐蚀动力学和宏观形貌

　　K417G: 20h

　　NiCrAlY ：200h

　　利用Cr-Al-Y共沉积制备NiCrAlY涂层

　　• 良好均匀性

　　• 抗热腐蚀

　　• 抗高温氧化

三、扩散障涂层

　　涂层与合金基体元素互扩散产生二次反应区，形成TCP有害相，严重影响基体力学性能

　　必须设计具有阻扩散功能的金属/金属涂层界面

　　涂层设计的思想

　　J_Ni=C_Ni D_(barrier)δC_Ni/δX

　　1.在该层中元素扩散速率慢#p#副标题#e#

　　2.化学相容性

　　3.热力学稳定

　　4.与合金及涂层结合力

　　5.界面处机械性能

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

　　TiAl/NiCrAlY 1000^OC退火不1h结果



TiAl/NiCrAlY 1000^OC退火100h结果



TiAl/Cr₂O₃/NiCrAlY体系200hrs@1000 ℃

　　TiAl/Cr₂O₃/NiCrAlY体系100hrs@1000 ℃EPMA结果

　　

氧化物分解压

　　TiAl/YSZ/NiCrAlY体系100h@1000 ℃

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　　“活性”扩散障
 

　　• 金属扩散障结合力好，阻挡扩散弱

　　• 氧化铝扩散障阻挡扩散强，结合力差
 

四、金属搪瓷复合涂层
 

　　添加金属：提高热膨胀系数

　　增加结合强度

　　1000OC水淬100次结合非常好
 

　　纳米金属颗粒显著提高热膨胀系数

　　

　　热腐蚀 850℃，25％NaCl+75％Na₂SO₄
 

　　

　　空气喷涂+高温处理SKE-8涂层(金属搪瓷)

总结

　　一、高温合金纳米涂层解决了传统涂层的脆性和互扩散两大问题。#p#副标题#e#

　　二、 Cr-Al-Y共沉积涂层可以解决复杂形状叶片的均匀性问题。

　　三、 8wt%Y₂O₃+ZrO₂(YSZ)为最好的活性扩散。

　　四、金属复合搪瓷在很多高温部件上有广泛的应用前景。

结束语

　　中国腐蚀与防护学会新一届理事会，在陈光章理事长的领导下、李晓刚秘书长为首的秘书处的努力下、全国腐蚀界的大力支持下、把大专院校和科研院所与企业很好地融合在一起，使腐蚀的科学研究走向了一条正确的路线，中国的腐蚀与防护研究一定会有光辉的未来!

　　呼吁：全国腐蚀界进一步团结起来，在各种计划(人才、自然科学基金)评审中互相支持，并特别关注40岁以下的年轻一代(80-90后)，希望在这一代上尽快培养出领军人物，使中国的腐蚀与防护事业再上一个新台阶!