[00686819]高温防护复合涂层的组织结构及长效机制

所属科学技术领域、简要背景、主要研究内容、发现点、科学价值、论文专著发表及同行引用评价情况。项目属于材料科学与加工工程领域。高温防护涂层在燃气轮机和涡轮发动机中已经得到了广泛的应用。随着工作温度不断提高，涂层与基体合金的元素互扩散加剧，基体力学性能降低，涂层很快失效。项目通过原位一步沉积和活性形成的方法，在高温合金表面制造了具有强元素扩散阻挡能力的阻扩散层及高温防护作用的表面层，深入研究了元素分布、微观结构演变、氧化膜粘附性、残余应力和界面结合与涂层性能之间的关系，为高温防护涂层元素互扩散、界面结合提高、基体脆化和使役寿命短等问题的解决提供了方案，对材料的高温防护有重要意义。主要发现点和科学价值：提出了原位一步法，在制备表面涂层的同时原位生成含氧阻扩散层。复合涂层的界面结合强度比非一步法的强35-44%。阻扩散层高温结构稳定，元素扩散阻挡能力强。研究结果对于复合涂层生产效率的提高以及涂层使役寿命的延长有十分积极的意义，能显著降低涂层的生产成本。率先设计了“活性”阻扩散层CrN，利用元素扩散控制其高温反应发生CrN→Cr<,2>N→TiN转变，实现了与基体相呈完全共格，退火态复合涂层界面结合强度高达70.3MPa。研究的发现为强界面结合复合涂层的研制开发开辟了新途径。调控获得了性能优化的CrON阻扩散层，使CrON高温发生Cr<,2>O<,3>→Al<,2>O<,3>，大幅度提高元素扩散阻挡能力，在1100℃(已达Ni合金的使用极限温度)下复合涂层有很强的抗氧化能力，超过100h高温曝露涂层保持完好。研究成果对于阻扩散层的设计和制造有很强的指导作用，极大地推进了新型阻扩散层的开发。系统阐明了MCrAlY涂层失效与元素互扩散的关系。真空退火时发生γ'-Ni<,3>Al和a-Cr相析出，氧化过程中发生β-NiAl→γ'-Ni<,3>Al-γ-Ni转变(CoCrAlY涂层中Ni被Co取代)，晶粒粗化，促使涂层高温氧化和力学性能退化。1050℃/100h大气曝露导致在无阻扩散层的涂层，基体界面间形成30μm互扩散区和35μm二次反应区。互扩散区TCP相析出的N<,vc>和M<,dc>临界值分别2.30和0.917。40μm厚CoCrAlY涂层1050℃的循环寿命为160h，氧化常数为1.915×10<'-7> mg<,4>·cm·<'-8>·s<'-1>。研究的发现对于高温材料的设计、开发、寿命预测和推广有重要而广泛的科学价值，为新型高温涂层的研发提供了新思路。在《Corrosion Science》、《Surface and Coatings Technology》、《Journal of Alloys andCompounds》和《金属学报》等国内外学术刊物公开发表了学术论文26篇，SCI收录19篇，EI收录22篇。其中20篇主要论文被国内外同行专家发表的论文正面他引153次和积极评价，认为研究成果在阻扩散层方面有很重要的发现和创建，具有很强理论和科学价值。项目获得过中国材料研究学会青年优秀论文奖和广西自然科学优秀论文奖。