Fe-Cr合金表面NixAly/Ni复合防护涂层的热稳定性增强机理和结构优化

NixAly/Ni双层复合涂层是为用于650oC或更高温度下的超超临界蒸汽轮机铁素体Fe-Cr合金部件而研制的抗蒸汽氧化的防护涂层。高温下合金元素在涂层各层中的互扩散是导致涂层过早失效的根本原因。为此，本项目在详细分析Ni-Al、Fe-Al 和Ni-Fe-Al 合金系统热力学特性的基础上，提出研究利用Al元素在Ni-Al和Fe-Al合金系统中的活度差和Fe元素在NiAl相中的溶解度极限的热力学制约作用来抑制合金元素在涂层各层中的互扩散，探索涂层外层的厚度和物相，以及中间层Ni层厚度与涂层整体长期热稳定性的关系，建立对能使涂层维持长期(100000小时)有效防护功能机理的认识，并在此基础上提出涂层的优化结构。本项研究对涂层质量有严格要求，所以拟采用电镀与渗铝相结合的方法制备几乎无气孔等缺陷的优质NixAly/Ni复合涂层，以确保研究结果的准确性和普适性，为用其它工艺制备同类涂层提供优化依据。

本课题是为了探讨用于铁素体耐热钢抗高温氧化防护的Ni2Al3/Ni复合涂层在其预期使用温度650℃下的热稳定性以及能够使其保持长期热稳定性的机理。为此，先采用电镀工艺镀镍、然后采用包埋渗铝工艺在低于700℃的温度区间里渗铝的两步工艺法在P92钢表面制得了无气孔、裂纹等缺陷的Ni2Al3/Ni复合涂层，确定了渗铝层厚度与包埋渗温度、时间和包埋剂化学组成的定量关系，获得了外层Ni2Al3层厚度与内层Ni层厚度的比值不同的复合涂层。将涂层在650 ℃下氩气保护气氛中保温，采用EDS技术测定了这些涂层横截面中不同合金元素沿厚度方向的浓度随保温时间的变化。结果显示，复合涂层外层的物相都会在相对较短的时间里由Ni2Al3相转变为NiAl相，当这个转变完成后新生成的NiAl相能够保持相对稳定，从而确保涂层能够起长期防护作用。使新生成的NiAl相得以稳定的机理取决于内层Ni层的厚度或外层Ni2Al3层与的内层Ni层的厚度的比值。当内层Ni足够薄时，在650℃下保温时新生成的内层的物相近似于Fe-Al合金，由于Al元素在新生成的外层NiAl层与新生成的内层Fe-Al合金层中的活度差的制约和Fe元素在NiAl相中的溶解度极限的制约作用，新生成的外层NiAl层能保持相对稳定。当内层Ni层较厚时，在650℃下保温时，涂层的结构演变为NiAl/Ni3Al/Fe-Ni合金，即：3层结构，外层为NiAl、中间层为Ni3Al、内层为Fe-Ni合金层；这时，中间层Ni3Al中的Al难于向内层Fe-Ni合金层中扩散，而内层中的Fe元素难于向中间层Ni3Al层中扩散，使得新生成的NiAl层能够保持相对稳定。另外，在650℃保温过程中，当Al元素进入耐热钢基体时，在基体中形成AlN析出相，其数量和尺寸随保温时间增大，这也在一定程度阻碍了涂层与基体界面之间发生的涂层与基体元素的相互扩散，维持了涂层整体的长期稳定性。