CoCrAlSiY合金涂层的高温选择性氧化和界面扩散机制研究

The damage caused by high temperature oxidation and hot corrosion in gas turbine blades and heat-side components of the combustion chamber has become the main issues affecting the performance, life and safety of the gas turbine working in the marine environment. MCrAlY alloy coating with some content of Si is now universally used for its protection. The selective oxidation and diffusion mechanism in the coating/substrate interface in high temperature condition are rarely studied, although they are the main factors affecting the performance of resistance to oxidation and hot corrosion of the MCrAlY alloy coating with Si. CoCrAlSiY alloy powder and coatings are prepared by vacuum induction gas atomization and HVOF spraying respectively, and its main elements chemical activity, element concentration change in the coating/substrate interface of MCrAlY coatings and the impact of Si on the structure of the oxide film and the stress state will be studied. Then the law of the Si on the selective oxidation of the MCrAlY alloy in high temperature condition will be revealed, and its interface element diffusion mechanism will be obtained. This project will provide a theoretical basis and scientific guidance for protection technology development and application of the heat-side component of the gas turbine blades and combustion chamber in the marine environment.

海洋环境下服役的燃气轮机叶片及燃烧室内的热端部件产生的高温氧化和热腐蚀破坏已成为影响整机性能、寿命、成本和安全的主要问题。采用含Si系的MCrAlY合金涂层对其进行防护是目前国内外采用的普遍办法。高温条件下含Si系MCrAlY合金元素的选择性氧化和涂层/基体界面扩散机制是影响涂层抗氧化和热腐蚀性能的关键因素，但该方面的基础研究尚属空白。本项目采用真空雾化和超音速喷涂方法分别制备了CoCrAlSiY合金粉末和涂层，对含Si系MCrAlY合金元素的化学活度和涂层/基体界面元素浓度变化、Si元素对涂层氧化膜结构及应力状态等的影响进行研究，揭示Si对高温条件MCrAlY合金元素的选择性氧化的影响规律，获得含Si系MCrAlY合金元素涂层/界面的元素扩散机制。此项目的研究成果将为海洋环境下服役的燃气轮机叶片及其燃烧室内热端部件防护技术开发与应用提供理论依据和科学指导。

MCrAlYSi涂层具有良好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，可应用于海洋环境燃气轮机或者航空发动机热端部件。目前对于MCrAlYSi涂层主要研究其性能，对Si的作用机理研究鲜有报道。本项目研究和分析了不同Si含量CoCrAlYSi合金粉及涂层的高温抗氧化、抗腐蚀和抗热震等性能、成分和组织，以期获得MCrAlYSi涂层中Si元素的作用机理，为适用于海洋环境的高温抗氧化涂层的进一步应用提供理论依据。.本文采用CoCrAlYSi合金为研究对象，通过真空惰气雾化的方法制备CoCrAlY、CoCrAl2SiY、CoCrAl5SiY三种不同Si含量的合金粉末，测定了含Si粉末的基本物理和化学性质，进行了1000℃和1050℃恒温氧化试验，并用XRD和SEM/EDS等手段对结果进行分析，研究Si对合金体系的性能影响和作用机理；采用超音速热喷涂（HVOF）方法，制备了不同Si含量的CoCrAlYSi涂层，进行了1000℃和1050℃恒温氧化试验；分别在800℃、900℃温度下涂盐热腐蚀实验，1050℃温度下涂层样品的循环抗热震试验，综合分析涂层各方面的性能和微观组织。.根据实验结果，绘制了CoCrAlYSi合金粉及涂层在1000℃和1050℃恒温氧化动力学曲线， 表明2wt.%Si和5wt.%Si 的合金粉及涂层抗氧化性能均获得明显的提升，试验温度1050℃较1000℃条件下Si对合金粉末提升抗氧化性能的作用更加明显，2wt.%Si较 5wt.%Si合金粉及涂层1050℃下300h的氧化增重量更小，性能更优。.研究表明Si促进了粉末和涂层中Al向表面富集，有利于生成结构致密的α-Al2O3膜，提高表层的粘附性；增加了粉末和涂层中β相CoAl的含量，并降低了β相在氧化过程中的消耗速率；减轻了粉末和涂层发生内氧化的程度，有效的降低了涂层内部的氧化速率。.涂层抗热腐蚀性研究表明，随着Si含量的上升，在试验温度条件下腐蚀穿透的深度变浅，涂层的抗热腐蚀能力提升；Si在涂层内生成了高熔点且难反应的金属硅化物CrSi，阻碍了沿晶腐蚀的进一步进行，提高了涂层的抗Cl-、S2-离子热腐蚀能力。.研究表明Si元素可以通过选择性氧化提高涂层氧化层的粘附性、改变氧化层的生长机制、降低氧化速率、调整氧化层的微结构等影响MCrAlY涂层的抗氧化和腐蚀性能，MCrAlY涂层中Si含量一般控制在2wt.%以内为宜。