Al-B-Y协同增效硅化物渗层制备及氧化过程中的元素扩散及界面反应行为

Niobium based ultrahigh temperature alloys exhibit great potential as high temperature structural materials for application in the temperature range of 1200-1450℃. However, the oxidation resistance of the alloys is poor, and applying protective coatings is an effective and economical method to guarantee the oxidation-resistant requirements of the alloys in oxidizing environments. In this project, Al-B-Y jointly modified silicide coatings (i.e. Si-Al-B-Y compound coatings) will be prepared on an Nb based alloy by pack cementation process. The effect of the process parameters on the microstructure of the coatings will be investigated, and the oxidation resistance of the selected coatings with optimized microstructure and composition will be tested in the temperature range of 1200-1450℃. Based on the detailed growth and oxidation kinetics experiments of the coatings, the formation and degradation processes of the coatings are revealed. Combined on the simulate calculation of partial pressures of the deposited elements fluorides in the packs at different temperatures, the elements diffusion behavior and interfacial reaction of substrate alloy/coating/oxide scale during the preparation and oxidation process of the coatings will be discussed, and the modify effect of the active elements on them will be elucidated. A successful completion of the propose is a good reference for the design and preparation of the oxidation-resistant compound coatings with multi-elements and multi-phases structure on Nb based ultrahigh temperature alloys.

Nb基超高温合金是目前超高温金属结构材料领域的研究热点，针对抗氧化性能不足的缺点，研制表面防护涂层是推进其走向实用的关键课题之一。本项目拟采用扩散渗法在Nb基超高温合金表面制备Al-B-Y三元协同改性的硅化物渗层（Si-Al-B-Y复合渗层），研究工艺参数对渗层组织结构的影响，考察渗层在1200-1450℃温度范围内的抗氧化性能。通过细致的渗层生长动力学及氧化动力学实验明晰渗层的组织形成及退化过程，再结合渗包内被渗元素卤化物气相分压的模拟计算，揭示渗层制备和氧化过程中的元素扩散行为及基体/渗层/氧化膜三界面的反应特征，并阐明改性元素在其中的协同作用机制，从而为Nb基超高温合金表面抗氧化多元多相复合涂层的设计与制备提供理论和实验依据。

铌基合金是一种有希望在1200-1450℃下应用的超高温金属结构材料，针对其高温抗氧化性能不足的缺点，有必要开展表面防护涂层及其制备技术方面的研究工作。本研究分别采用Si, Al, B, Y2O3固体粉末包埋共渗和分步渗法在铌合金表面制备Al-B-Y三元协同改性硅化物渗层，研究扩散渗工艺参数（渗剂组成、保温温度及保温时间等）对渗层组织结构的影响，分析多元素沉积过程中的元素沉积次序及各组成相的选择生成，考察渗层的抗氧化性能。Si-B-Al-Y共渗层呈现典型的多层结构，即由NbSi2+Nb2Al+NbB2组成的外层，NbSi2中间层以及Nb5Si3内层；共渗层的形成过程是一个先沉积Al后沉积Si和B的有序过程，共渗层的生长动力学满足抛物线规律；渗剂组成中的Al含量、B含量对共渗层组织结构影响显著，而合适的共渗温度（不小于1050℃）使得渗层主要由硅化物相组成。 采用先渗B再Si-Al-Y共渗的分步渗法制备Si-B-Al-Y复合渗层，渗B层由单一的NbB2相组成，而Si-B-Al-Y复合渗层主要由固溶少量Al的NbSi2外层、Nb5Si3中间层以及NbB2内层组成。第一步渗B层对第二步Al-Si元素的渗入具有一定的阻碍作用，渗层生长动力学符合抛物线规律，渗层的生长机制是以被渗元素的内扩散为主。渗层厚度随着渗剂中Al含量的增加而降低，随着共渗温度的升高而增加。Si-B-Al-Y共渗层具有优良的高温抗氧化性能，经1250℃氧化100h后表面生成了主要由Al2O3和SiO2组成的致密氧化膜，B2O3主要存在于氧化膜下的内氧化区；Si-B-Al-Y复合渗层在1250℃/25 h以内也可有效保护基体合金，主要生成以Al2O3和SiO2组成的致密氧化膜，但B没有参与氧化膜的生成。一步法制备的渗层较两步法制备的渗层表现出更佳的抗氧化性能。本研究可为超高温服役条件下的金属材料表面热防护涂层结构设计及制备技术提供理论和实验依据。