铂族金属改性铝化物涂层的制备及耐蚀性能研究

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热障涂层（TBCs）是为了提高高温合金的使用温度，利用材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热性能，增强热端部件的抗高温腐蚀能力，延长热端部件的使用寿命，提高效率、降低能耗、减少排放的一种表面防护技术。目前，热障涂层技术已成为未来涡轮发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向。然而，常用作热障涂层粘结层的MCrAlY涂层在服役过程中由于TGO的过度生长和粘结层与基体之间的元素互扩散存在着在过早剥落失效的题目。因此，近年来以Pt为代表的铂族金属改性铝化物涂层作为热障涂层的粘结层已成为研究热点。　本文系统地研究了在 DZ125镍基定向高温合金基体上采用电镀和包埋渗相结合的工艺制备铂族金属Pt、Ru、Ir改性的铝化物涂层的技术，讨论了在热循环和等温氧化以及腐蚀性气氛下涂层的抗氧化和腐蚀性能，对铂族金属Pt、Ru、Ir对于涂层性能和寿命的影响进行了探讨，分析了涂层的失效机制以及铂族元素的作用机理，采用实验和计算机模拟相结合的方法，运用固相扩散基础理论和晶体学知识分析了涂层在高温氧化过程中的Al元素扩散机制。确定了以DZ125镍基定向高温合金为基体的铂族金属Pt、Ru、Ir改性的铝化物涂层电镀和包埋渗的组合制备工艺。在基体上用电镀法沉积Pt、Ru、Ir层以后，经过1100℃下1h的真空热处理以及900℃下1h的包埋渗铝处理，制备得到的铝化物涂层由外层的富Pt-Ru(Ir)-Ni-Al层和内层的β-NiAl层组成。在1150℃空气气氛中的循环氧化实验结果表明，本文中设计的三层结构的Pt/Ru/Pt和Pt/Ir/Pt改性铝化物涂层与其他涂层相比表现出更好的氧化性能。涂层最外层的Pt对于涂层氧化性能的提高起着非常重要的作用，Pt、Ru和Ir的添加提高了涂层表面Al的浓度，使其可以生成稳定的保护性的氧化物层，并且抑制了合金元素的互扩散。元素Ru和Ir 都可以降低涂层的成本，并且改善Pt改性铝化物涂层中常见的起皱现象，从而改善涂层的氧化性能。此外，Ru和Ir还抑制了Hf元素从基体向涂层的外扩散。但是Ru和Ir在具体作用方面还是有一定不同：Ru对Al有更强的亲和力，并且在提高涂层表面Al含量方面起到的储Al作用更为明显，有利于在氧化过程中提供足够的Al来生成稳定的氧化铝；而Ir则在前两百循环的氧化过程中更有效地抑制了起皱的发生，同时更好的抑制了TGO层的生长。运用固相扩散基础理论和晶体学知识分析了涂层在高温氧化过程中的元素扩散机制，对比研究了Pt/Ru/Pt以及6Pt涂层和简单铝化DZ125样品在1150℃下氧化1h和3h过程中Al元素的扩散行为。利用Boltzmann–Matano法，根据铝化物涂层铝原子的浓度分布曲线计算出铝的扩散系数。计算结果表明，当温度和时间保持不变时，互扩散系数随Al浓度增加而增加; 在相同Al浓度下，在Pt/Ru/Pt以及6Pt涂层中Al元素的扩散系数比简单铝化DZ125体系中的小一个数量级，这说明Pt和Ru元素的添加减缓了Al的内扩散，从而有效地保持了涂层表面Al的浓度，起到了储存涂层表面Al元素的作用。1050℃下在NaCl和水蒸气气氛中的腐蚀实验表明，Pt/Ru改性铝化物涂层比Pt改性铝化物涂层有更好的抗腐蚀性能。腐蚀以后，Pt/Ru改性铝化物涂层表面形成平整、连续且结合良好的氧化铝层，Pt的添加起到了促进氧化铝生成，改善涂层抗氧化性能的作用，Ru的添加增加了涂层的强度，抑制了起皱的发生。因此，Pt和 Ru的协同作用有效提高了涂层的抗腐蚀性能。

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