MAX相作为活性扩散阻挡层延缓抗高温氧化涂层退化机理
批准号:
52071318
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李美栓
依托单位:
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李美栓
中文摘要
项目提出MAX相(Cr2AlC,Ti2AlC,Ti2AlN)薄膜作为高温合金上抗氧化涂层的元素互扩散活性阻挡层的新思路。研究合金基体/NiCrAlY涂层、合金基体/MAX相薄膜/NiCrAlY涂层体系在900oC-1100oC下不同时间的真空退火以及空气中恒温和循环氧化行为,包括测试氧化动力学,细致分析断面上新相形成与元素分布,表征涂层体系的界面结合,深入了解高温下元素互扩散、MAX薄膜相与结构随温度和时间的演变及其对涂层抗氧化性能与退化的影响、涂层体系热匹配性等,进而明了氧化过程中MAX相薄膜阻挡元素互扩散效应及其与Al活度、M化合物(Cr-C,TiC,TiN)种类的关系,并建立MAX相薄膜作为活性扩散阻挡层的作用模型。研究对深入了解MAX相与金属材料界面反应、相组成与结构演变规律具有理论意义;同时对发展新的扩散阻挡层材料体系,从而改善现有高温防护涂层抗氧化性能和服役寿命具有实用价值。
英文摘要
This project focuses on the performances of MAX Phase films (such as Cr2AlC, Ti2AlC, Ti2AlN) as active diffusion barrier in superalloy substrate/NiCrAlY coating system. Vacuum annealling, isothermal oxidation and cyclic oxidation of superalloy/NiCrAlYcoating and superalloy/MAX film/NiCrAlY coating systems will be investigated at 900oC-1100oC for different time, including the determination of oxidation kinetics, careful characterizations of the formation of new phases and the distributions of relative elements on the cross sections of test specimens, and the evaluation of interface adhesion in the coating system. The interdiffusion of elements at superalloy/MAX film and MAX film/NiCrAlY coating interfaces, the variations of constituent phase and microstructure of MAX film with temperature and time, effects of MAX film on oxidation resistance and degeneration of NiCrAlY cotaing , and thermal suitability of the coating system will be explored. Thereby, the diffusion barrier effect of MAX film and its correlations with Al activity and kinds of binary M carbide or nitride will be understood thoroughly. Finally, the models involving in the variations of constituent phase and microstructure of MAX film with temperature and time, and its barrier layer effect will be established. This project is significant for better understanding interface reactions of MAX phase and metal, and the evolution of constituent phase and microstructure of MAX phase materials. It is also significant for developing new diffusion barrier materials, and then improving oxidation resistance and service life of conventional NiCrAlY coating.
MCrAlY(M=Ni, Co, Ni+Co)涂层作为高温防护涂层具有优异性能,在航空航天领域有重要应用。由于涂层/基体合金界面元素互扩散,主要是涂层里的Al向基体扩散,导致涂层退化。项目提出MAX相Cr2AlC作为活性阻挡层,通过有效阻挡NiCrAlY涂层中的Al向基体以及基体中的Ti、Mo和V等向涂层扩散,达到延缓涂层退化从而提高其服役寿命的目的。针对NiCrAlY涂层/K417G镍基高温合金体系在900oC真空退火以及1000oC、1050oC下空气中恒温和循环氧化氧化过程中元素扩散与相转变系统研究表明:(I)在高温下,由于Al快速向外扩散,Cr2AlC相转变为Cr-C化合物,且C扩散到两侧基体和涂层中,最终转变为稳定的Cr23C6相。(Ⅱ)高温氧化过程中,NiCrAlY/Cr2AlC界面发生元素互扩散(特别是Al),NiCrAlY涂层的界面结合力显著提高。(Ⅲ) Cr23C6在高温下保持长期稳定,有效地阻止了Ti、Mo和V从基体向涂层的扩散,显著提高了NiCrAlY涂层表面保护性Al2O3膜生长的稳定性。(Ⅳ)Cr2AlC相变形成的Cr23C6具有和NiCrAlY涂层与基体合金更好的热匹配性,提高了涂层抗循环氧化性能。(Ⅴ)Cr2AlC层含有比NiCrAlY涂层中更高的Al,部分Al扩散到NiCrAlY涂层中,为Al2O3膜生长提供充分的Al源,从而延缓了NiCrAlY涂层的退化。. 项目同时将研究内容扩展到TiAl合金(45XD)和钛合金(Ti65)的NiCrAlY涂层体系。结果表明,在高温退火和氧化过程中,Cr2AlC活性阻挡层相转变为Cr7C3再到α-Cr,并在界面上生成TiC,这些连续的碳化物层起到了阻止Ti向外扩散的作用。长时间氧化后,NiCrAlY涂层中的富Al相是β-NiAl而不是Ni2TiAl,其退化速度显著降低,抗氧化性能更好。此外,涂层中β-NiAl的Al活度和Al储量均大于没有阻挡层时NiCrAlY涂层中Ni2TiAl的,从而有效地抑制了TiO2和脆性相α-Cr的形成,提高了Al2O3膜生长的稳定性。项目的开展为延长MCrAlY涂层服役寿命或者在更高温度下使用提供了新的技术手段,特别是解决了NiCrAlY涂层直接在钛合金上应用时由于界面元素互扩散严重而快速退化的问题,具有极大应用前景。
空气流速和压力对ZrB2-20vol.%SiC在1600–2200℃下氧化行为的影响
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批准号:51571203
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2015
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负责人:李美栓
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依托单位:
Cr-Al-N涂层宽温域内抗不同类型高温腐蚀机理
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批准号:50771099
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项目类别:面上项目
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资助金额:30.0万元
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批准年份:2007
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负责人:李美栓
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依托单位:
稀土元素改善硫偏聚的Cr2O3/合金界面结合力机理
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批准号:50571106
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项目类别:面上项目
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资助金额:28.0万元
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批准年份:2005
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负责人:李美栓
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依托单位:
Al2O3膜亚稳相向稳态相转变规律的ESEM原位研究
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批准号:50371095
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项目类别:面上项目
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资助金额:28.0万元
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批准年份:2003
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负责人:李美栓
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依托单位:
氧化膜微区应力分布与相形成规律高温原位同步研究
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批准号:59701010
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:16.0万元
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批准年份:1997
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负责人:李美栓
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依托单位:
国内基金
海外基金