《超高溫金屬防護塗層中微量活性元素效應研究》是依託北京航空航天大學，由郭洪波擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：超高溫金屬防護塗層中微量活性元素效應研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：郭洪波
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著航空發動機向高推重比發展，迫切需要發展適用於高溫合金的、超高溫（≥1200℃）、長時（≥1000h）抗氧化的金屬防護塗層。NiAl金屬間化合物在1200℃具有良好的靜態抗氧化性能，國內外多家研究單位針對其循環氧化性能差的問題開展了塗層改性研究，均發現某些活性元素可使NiAl塗層的熱循環壽命從不足50小時提高到近500小時，引起國際上極大興趣與高度關注，同時引發了對活性元素作用機理的爭論。由於作用機理不清楚，導致塗層熱循環壽命一直徘徊在500小時左右。申請者對近10種活性元素的效應進行了研究，發現儘管這些元素化學性質相近，但作用效果存在顯著差異，甚至是負面的。.本項目擬從各種活性元素與NiAl塗層元素的電子結構、微觀缺陷等互動作用的研究入手，深入分析各種元素對合金擴散、選擇性氧化、氧化物形核生長以及氧化膜/塗層界面狀態的影響機制，為超高溫、長壽命金屬防護塗層的設計與實現提供理論支撐。
結題摘要
隨著航空發動機向高推重比發展，迫切要求發展適用於高溫合金的、超高溫（≥1200℃）、長壽命（≥1000h）抗氧化金屬防護塗層。NiAl作為最具潛力的新一代超高溫防護塗層候選材料，在1200℃及以上溫度工作時，表面氧化膜極易剝落，這限制了它的實際套用。針對這一問題，本項目採用活性元素對其進行了改性，並結合第一原理計算，深入研究了微量活性元素對高溫氧化行為的影響機制，為超高溫、長壽命金屬防護塗層的設計與實現提供了理論支撐。 研究了Dy、Hf、Y、Zr、La等微量活性元素改性NiAl合金的高溫氧化行為，發現在降低氧化膜生長速率和提高氧化膜結合力方面的作用效果Hf,Zr＞Dy＞Y＞La。結合第一性原理對活性元素固溶度、與S互動作用以及界面結合強度的模擬計算，揭示了不同活性元素在NiAl中的作用機理。基於此，提出了二元活性元素改性NiAl的方法並闡明了二元活性元素的協同作用機理。 研究了活性元素與高溫合金基體元素的互動作用，對比研究了活性元素在乾燥和水氣環境下對NiAl高溫氧化行為的影響機制。揭示了活性元素與Cr、Si以及高溫合金難熔元素Re、Mo等的互動作用機制及其對塗層抗高溫氧化和熱腐蝕的影響機理，闡明了活性元素在水氣環境中對氧化膜生長及其黏附性的影響機理。 研究了活性元素改性超高溫金屬塗層的製備方法，揭示了電子束物理氣相沉積（EB-PVD）活性元素改性β-NiAl塗層工藝參數對塗層化學成分、微觀組織結構的影響規律，實現了微量元素摻雜金屬塗層化學成分與顯微結構的精確控制。 針對活性元素在NiAl塗層中的長時有效性問題，開展了微量活性元素改性γ’+β雙相Ni-Al合金和塗層高溫氧化行為的研究，揭示了一元及二元活性元素改性對Ni-Al高溫氧化行為的作用機理，提出了不同相組成Ni-Al塗層中活性元素的選擇準則。 最終，考慮到塗層與單晶合金界面阻擴散的問題，發展了界面阻擴散、抗1200℃的活性元素改性的PtNiAlX塗層。
