Ni基高温合金表面Nb-Ni-Si耐蚀涂层的制备及其熔融玻璃腐蚀机理研究

In the glass industry, metallic components in direct contact with the molten glass suffer from the molten-glass corrosion when serving at high temperatures, thus resulting in the early failure of alloy components and the contamination of glass products. The corrosion product of Nb6Ni16Si7 (Nb-Ni-Si) formed on the Ni-base superalloy during the immersion test was reported to be corrosion resistant to molten glass in previous studies. Unfortunately, it is far from protective enough for base alloys due to the inhomogeneous structure of this product layer. This project aims to solve the corrosion issue by directly applying an Nb-Ni-Si coating on Ni-base alloys, fully taking advantage of its high chemical stability and compatibility with both the base alloy and the corrosive medium.. In this project, the mechanical alloying will be carried out to process elemental substances to obtain solid-solution alloy powders, which will be deposited on Ni superalloy by cold spraying, followed by the heat treatment to obtain coatings with the equilibrium phase structure of Nb6Ni16Si7. The relationship between processing parameters and the coating structure will be investigated to realize precise control of the coating structure. In addition, the corrosion behavior of coating system will be evaluated in molten glass at high temperatures to reveal the corrosion mechanism as well as its dependence on coating structure. The present project will provide a solution to the corrosion problem induced by the molten glass and offer fundamental data for future investigations on the corrosion and protection of alloys in this field.

玻璃工业中熔融玻璃造成的高温腐蚀严重影响合金部件性能和玻璃制品质量。具有Nb6Ni16Si7结构的Nb-Ni-Si材料作为Ni基合金表面腐蚀产物被证实具有良好的耐蚀性，但该产物难以保证结构完整性和防护长效性。因此，本项目通过施加结构可控的Nb-Ni-Si涂层以提高服役于该环境Ni基合金部件耐蚀能力。采用机械合金化、冷喷涂和热处理依次进行粉末合金化、涂层沉积与涂层相结构转化处理，以获得具有Nb6Ni16Si7结构的耐蚀涂层。抓住涂层结构与制备工艺相关性、涂层腐蚀失效机制这两个关键科学问题，开展制备工艺对涂层结构影响研究，以揭示影响粉末和涂层结构的主要因素，实现对涂层结构的有效控制；研究涂层在不同服役温度下的腐蚀行为，建立涂层腐蚀机制，揭示腐蚀模式与涂层结构的相关性。本项目将为玻璃工业中合金的腐蚀与防护提供重要的基础数据，对提高合金部件的使用寿命、降低生产成本具有重要的工程意义。

本项目通过冷喷涂Nb-Ni-Si涂层以提高服役于高温熔融玻璃环境下Ni基合金部件耐蚀能力，依次开展了制备工艺对Nb-Ni-Si涂层组织结构影响和涂层腐蚀行为研究，并尝试采用搅拌摩擦处理改善对Nb-Ni-Si涂层结构，同时初步探讨了冷喷涂高熵合金涂层（FeCoCrNiMn）在该领域应用的可能性。.主要研究结果如下：明确了工艺参数对合金化粉末结构的影响规律：Nb-Ni-Si混合粉末的尺寸随球磨时间的延长先减小后增大；高球料比使粉末单位时间内获得的能量更多，从而在更短的时间内发生严重的塑性变形；球磨转速越高，越有利于粉末细化；不同球磨工艺参数对最终粉末物相组成无明显影响，最终球磨产物均为Nb-Ni-Si的混合物；涂层经过热处理之后，主要物相为Nb3Ni2Si金属间化合物。阐明了冷喷涂过程中涂层沉积特性与涂层显微结构的主要影响因素：冷喷涂过程中气体压力和气体温度越高、喷涂距离越近，粉末的沉积效率越高，进而提升涂层厚度；相反，低参数下涂层沉积要是镍将难变形的铌和硅包覆在涂层中，因此镍的沉积效果是涂层厚度变化的主要影响因素；涂层中的孔隙主要出现在硅颗粒边界，变形能力强的颗粒（如Ni和Nb）沉积可降低涂层的孔隙率；提高硅粉比例可调控复合涂层中硅元素的含量，但过量的硅会对涂层产生明显的“冲蚀”效果，降低涂层质量并增大孔隙率。阐明了Nb-Ni-Si涂层的腐蚀机制：由于涂层内部存在热处理过程中引入的孔隙（“kirkendall”效应），为熔融玻璃和氧元素的内扩散提供了通道，因此涂层的耐熔融玻璃性能较弱。外层形成较厚的NiO膜具有一定的保护性；涂层中部Nb元素会优先发生氧化；涂层底部无明显氧化现象。因此，涂层具有一定的耐高温氧化能力，但抗玻璃腐蚀性能较差。为进一步改善Nb-Ni-Si涂层的抗腐蚀性能，一方面采用搅拌摩擦加工对其进行处理，发现加工后涂层耐熔融玻璃腐蚀性能显著提高（消除冷喷涂界面缺陷、促进元素分布）。另一方面利用冷喷涂制备FeCoCrNiMn高熵合金（HEA）作为替代Nb-Ni-Si涂层的材料，初步研究了冷喷涂HEA在700-900℃下的高温氧化机理。本研究为玻璃工业材料耐蚀设计提供重要的基础数据和研究经验，同时该方案的实施将对提高玻璃制造业中合金部件的使用寿命和生产效率、降低生产成本具有重要的经济价值。