《Nb-Si基合金超高溫塗層失效與熱防護機理研究》是依託北京航空航天大學，由周春根擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：Nb-Si基合金超高溫塗層失效與熱防護機理研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：周春根
- 項目類別：聯合基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Nb-Si基合金是最具潛力作為製造1200℃以上航空發動機葉片的金屬基結構材料，但高溫抗氧化性差是制約其工程套用的主要瓶頸問題，迫切需要開展高溫防護塗層的失效及熱防護機理研究。本項目針對新一代燃氣渦輪發動機用1200℃以上超高溫塗層，研究Mo-Si-B塗層的相平衡關係與相轉變特徵，以及合金化元素對相組成和相穩定性的影響規律，闡明氧化等對Mo-Si-B塗層的成分及微觀組織的影響機制；研究溫度、塗層成分及微觀組織結構演變對塗層高溫氧化熱力學與動力學、氧化膜的組織結構、內應力及其破壞與再生等影響規律，塗層服役過程中互擴散區的組織演變規律，提出Nb-Si合金表面Mo-Si-B高溫防護塗層失效機理及塗層材料/Nb-Si基合金體系中合金元素熱擴散與阻擴散機理；揭示複合塗層在抗氧化和抑制元素互擴散等功能實現機制，提出超高溫合金表面長壽命防護功能的塗層材料與結構的設計理論與方法。
結題摘要
運用放電等離子燒結（SPS）的方法製備了Mo-Si-B合金，研究了不同成分Mo-Si-B合金的相組成和抗氧化性能。研究發現，Mo-62Si-5B（at.%）合金包含MoSi2基體、MoB相、SiO2相和少量Mo5Si3相。而Mo-57Si-10B和Mo-52Si-15B合金是由MoSi2基體、Mo2B5相、SiO2相和MoB相組成。在1250°C條件下氧化100 h後，Mo-62Si-5B合金的氧化增重最小，為0.21 mg/cm2，具有良好的抗氧化性能。 採用爆炸噴塗Mo層加包埋滲Si-B的兩步法在Nb-Si合金表面製備了Mo-Si-B塗層，研究了塗層的製備工藝參數和微觀組織形成機理。還分析了塗層在1250°C下的氧化動力學與熱力學，分析了氧化產物的組織結構和形成過程，揭示了塗層的抗高溫氧化機理。結果表明，Mo-Si-B塗層優異的高溫抗氧化性主要是因為生成了矽硼酸鹽。少量的B元素可以大大降低SiO2的粘度並且提高SiO2的熱膨脹係數，使得該氧化層具有流動性和自癒合的能力。隨後，研究了Mo-Si-B塗層與Nb-Si基體在Ar氣中的互擴散行為，結果顯示在基體與塗層之間形成的互擴散區為(Mo, X)5Si3相（X = Nb, Ti, Cr, Hf）和內層為(Nb,X’)5Si3相（X’ = Ti, Cr, Hf）。隨著擴散時間的延長，互擴散層的厚度逐漸增大，塗層不斷被消耗，最終會導致塗層失效。 設計並採用等離子物理氣相沉積（PS-PVD）的方法在基體表面製備了一層Al2O3阻擴散層，並採用SPS方法在阻擴散層上製備了Mo-Si-B塗層。研究了沉積和未沉積Al2O3阻擴散層的Mo-Si-B塗層的相組成、抗氧化行為和擴散行為。研究發現，兩種塗層都由MoSi2相和少量的Mo5Si3，SiO2和MoB相。沉積Al2O3阻擴散層的Mo-Si-B塗層在1250°C下氧化100 h的增重小於未沉積Al2O3阻擴散層的Mo-Si-B塗層的增重。另外，通過阻擴散層的套用，Si在互擴散區中的擴散係數由10-5 μm2/s降低到10-7 μm2/s，因此，Al2O3具有很好的阻擴散效果。
