耐海洋环境腐蚀可磨耗封严涂层新材料研制与机理研究

Marine environmental corrosion-resistant abradable seal coating is the key material for the aero-engine compressor parts. To solve the scientific issues in the design and preparation of this kind of coating material, multi-scale structure and component design for powder and coating preparation and process optimization and regulation are systematically considered. Using calcium thermal reduction diffusion method to prepare NbTi-M(M for Al or Cr or Ni or Mo…) metal alloy powder, simultaneously with porous diatomite nonmetallic phase to assemble as abradable seal coating materials with specific structure. In order to obtain high purity, controlled particle size alloy powder materials, reaction kinetics and grain growth mechanism in calcium thermal reduction process is studied. Niobium-titanium-bonded layer and abradable seal coating system are prepared by thermal spraying technology. A serie of coating salt spray corrosion, high temperature molten salt corrosion and oxidation, surface/interface service matching, the injury and protective behavier are carried out to reveal the organization and performance coupled response mechanism under causative conditions. The advanced anti-marine environmental corrosion abradable seal coating materials with independent intellectual property rights is to be synthesised to meet the urgent needs of our country.

针对航空发动机压气机可磨耗封严涂层在海洋环境服役时易发生严重腐蚀的问题，本项目通过粉体与涂层多尺度结构与组分设计、制备工艺优化与过程调控，采用固相还原扩散技术制备NbTi-M(M为Al、Cr、Ni、Mo等)合金粉体，将其与中空多孔球形硅藻土组装成具有特定结构的复合粉体材料，并使用等离子喷涂工艺形成新型耐腐蚀可磨耗封严涂层。研究固相还原扩散制备多元合金粉体材料过程反应动力学与晶粒生长过程，获得纯度、粒度、组成及形貌可控的粉体材料调控机制。系统开展新型可磨耗封严涂层在盐雾腐蚀、高温氧化与热盐腐蚀条件下的组织稳定性、结构演变和性能变化规律，揭示元素扩散、氧化、腐蚀、应力破坏涂层物理化学相容性作用机制，获得封严涂层组成―结构―性能之间的关系。建立可磨耗封严涂层耐海洋腐蚀模型，形成具有自主知识产权的耐海洋环境腐蚀高温可磨耗封严涂层材料合成和加工技术，为发展我国高性能耐腐蚀可磨耗封严涂层材料奠定基础。

可磨耗封严涂层具有多孔、多相、多层、多界面结构特征，在海洋环境服役时易发生腐蚀，影响航空发动机性能和飞行安全。因此，研究可磨耗封严涂层的腐蚀性能及机理、开发新型耐海洋腐蚀封严涂层对于提高海洋环境航空发动机的服役性能意义重大。本项目从复合粉体、涂层的结构与组成设计入手，采用化工-冶金方法制备了镍基、钴基、钛基系列封严粉体材料，采用真空和大气等离子喷涂技术制备相应封严涂层，系统研究了涂层的物相组成、组织结构、力学性能、盐雾腐蚀、高温氧化、热盐腐蚀与可磨耗性能变化规律，揭示出涂层抗氧化、腐蚀、应力破坏的作用机理。结果表明，制备的新型封严涂层具有较高的结合强度、适中的硬度，以及优良的可磨耗性、耐盐雾腐蚀、耐热盐腐蚀和抗高温氧化性。研究表明，可磨耗封严涂层在海洋盐雾环境下受到多重腐蚀机制的共同作用。孔隙加大了涂层的腐蚀面积，同时会导致氧浓差腐蚀以及局部微区腐蚀。涂层中各相间的腐蚀电位差会导致微观电偶腐蚀，各层间的电位差会导致层间电偶腐蚀。由热震或外力作用引起的微裂纹会导致缝隙腐蚀。非金属相对腐蚀介质的吸附和持续释放会使得涂层长期经受腐蚀破坏。可磨耗封严涂层的制备要同时考虑层间和相间的电偶腐蚀，涂层的钝化是实现涂层耐盐雾腐蚀的有效途径。项目建立了可磨耗封严涂层耐海洋腐蚀模型，开发出具有自主知识产权的耐海洋环境腐蚀高温可磨耗封严涂层材料及其制备方法，对我国研制高性能研发海洋环境服役发动机提供基础数据和理论依据。