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Nb-Si基合金超高温涂层失效与热防护机理研究
结题报告
批准号:
51431003
项目类别:
重点项目
资助金额:
350.0 万元
负责人:
周春根
依托单位:
学科分类:
E0103.金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2019
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭喜平、沙江波、宋洪海、王皖、王一雄、李轩、马晓、杨涛、赵雄升
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中文摘要
Nb-Si基合金是最具潜力作为制造1200℃以上航空发动机叶片的金属基结构材料,但高温抗氧化性差是制约其工程应用的主要瓶颈问题,迫切需要开展高温防护涂层的失效及热防护机理研究。本项目针对新一代燃气涡轮发动机用1200℃以上超高温涂层,研究Mo-Si-B涂层的相平衡关系与相转变特征,以及合金化元素对相组成和相稳定性的影响规律,阐明温度、氧化及互扩散对Mo-Si-B涂层的成分及微观组织的影响机制;研究温度、涂层成分及微观组织结构演变对涂层高温氧化热力学与动力学、氧化膜的组织结构、内应力及其破坏与再生等影响规律,涂层服役过程中互扩散区的组织演变规律,提出Nb-Si合金表面Mo-Si-B高温防护涂层失效机理及涂层材料/Nb-Si基合金体系中合金元素热扩散与阻扩散机理;揭示复合涂层在抗氧化和抑制元素互扩散等功能实现机制,提出超高温合金表面长寿命防护功能的涂层材料与结构的设计理论与方法。
英文摘要
Nb–Si based alloys are great potential structural materials for aero-engine blades at temperatures above 1200°C. However, a major barrier to the high temperature applications of the Nb–Si based alloys is their poor oxidation resistance. Therefore, it is required to investigate failure and thermal protection mechanism of the coating on the Nb-Si based alloys. The aim of the study is to investigate the phase equilibrium, phase transitions of the Mo-Si-B coating, as well as the effect of adding alloying elements of the coating on the phase composition and stability. The impact of oxidation and mutual diffusion on the coating composition and microstructure will be explored. The influence of temperature, coating composition and microstructure evolution on thermodynamics and kinetics of the coating, oxide microstructure, internal stresses, destruction and regeneration of the oxide formed on the coating will be studied. Coating failure mechanism will be proposed. Microstructure evolution of the mutual diffusion zone and diffusion mechanism will be clarified. The oxidation resistance mechanism and diffusion inhibition mechanism will be revealed. This project lays the foundation for developing the material and structure design theory and method for the protective coating on Nb–Si based alloys
运用放电等离子烧结(SPS)的方法制备了Mo-Si-B合金,研究了不同成分Mo-Si-B合金的相组成和抗氧化性能。研究发现,Mo-62Si-5B(at.%)合金包含MoSi2基体、MoB相、SiO2相和少量Mo5Si3相。而Mo-57Si-10B和Mo-52Si-15B合金是由MoSi2基体、Mo2B5相、SiO2相和MoB相组成。在1250°C条件下氧化100 h后,Mo-62Si-5B合金的氧化增重最小,为0.21 mg/cm2,具有良好的抗氧化性能。.采用爆炸喷涂Mo层加包埋渗Si-B的两步法在Nb-Si合金表面制备了Mo-Si-B涂层,研究了涂层的制备工艺参数和微观组织形成机理,分析了涂层在1250°C下的氧化动力学与热力学、氧化产物的组织结构和形成过程,揭示了涂层的抗高温氧化机理。Mo-Si-B涂层的氧化增重仅为0.92 mg/cm2。结果表明,Mo-Si-B涂层优异的高温抗氧化性主要是因为生成了硅硼酸盐。少量的B元素可以大大降低SiO2的粘度并且提高SiO2的热膨胀系数,使得该氧化层具有流动性和自愈合的能力。随后,研究了Mo-Si-B涂层与Nb-Si基体在Ar气中的互扩散行为,结果显示在基体与涂层之间形成的互扩散区由外层(Mo, X)5Si3相(X = Nb, Ti, Cr, Hf)和内层(Nb,X’)5Si3相(X’ = Ti, Cr, Hf)组成。随着扩散时间的延长,互扩散层的厚度逐渐增大,涂层不断被消耗,最终会导致涂层失效。.设计并制备了具有良好阻扩散功能、与基体性能匹配的Al2O3、TiN阻扩散层,Al2O3和TiN阻扩散层有效地降低了涂层的氧化增重、互扩散层的增长速率和Si元素的扩散系数。通过沉积Al2O3和TiN阻扩散层,Mo-Si-B涂层在1250°C下氧化100 h的增重由1.36 mg/cm2分别降低到1.17 mg/cm2和0.96 mg/cm2;采用Al2O3阻扩散层后,Si在互扩散区中的扩散系数由10-5 μm2/s(无阻扩散层)降低到10-7 μm2/s,因此,Al2O3具有良好的阻扩散性能。.研究成果可为推重比10及以上航空发动机热端部件高温防护涂层的设计、制备及应用提供依据及保障。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1007/s11085-015-9564-1
发表时间:2015
期刊:Oxidation of Metals
影响因子:2.2
作者:Li Xuan;Guo Xiping;Qiao Yanqiang
通讯作者:Qiao Yanqiang
DOI:10.1007/s11085-014-9519-y
发表时间:2015-04
期刊:Oxidation of Metals
影响因子:2.2
作者:Xuan Li;Xiping Guo;Yan-qiang Qiao
通讯作者:Xuan Li;Xiping Guo;Yan-qiang Qiao
DOI:10.1016/j.pnsc.2018.11.005
发表时间:2018-12
期刊:Progress in Natural Science: Materials International
影响因子:--
作者:Wei Jiang;Wei Shao;Jiangbo Sha;Chungen Zhou
通讯作者:Chungen Zhou
DOI:10.1016/j.ceramint.2018.01.238
发表时间:2018
期刊:Ceramics International
影响因子:5.2
作者:Qiao Yanqiang;Kong Jianping;Guo Xiping
通讯作者:Guo Xiping
Microstructure and oxidation resistance of composition gradients Nb-Si based alloy thin film
成分梯度Nb-Si基合金薄膜的显微组织及抗氧化性能
DOI:10.1016/j.matdes.2020.108687
发表时间:2020-07-01
期刊:MATERIALS & DESIGN
影响因子:8.4
作者:Jiang, Wei;Li, Meifeng;Zhou, Chungen
通讯作者:Zhou, Chungen
Alx(CoCrCuFeNi)100-x高熵合金的高通量制备及抗氧化腐蚀成分优化设计
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
新型钴基合金表面Al-Si-Dy共渗涂层抗高温腐蚀行为及失效机理
  • 批准号:
    51971015
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
Ni-Al/Re-Ni复合涂层在高温碳化气氛下的阻扩散行为及失效机理研究
  • 批准号:
    51671014
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
Nb-Si基合金超高温涂层失效与热防护机理研究
  • 批准号:
    U1435201
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    150.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
钴铝钇共渗涂层组织形成机理及抗高温腐蚀行为研究
  • 批准号:
    51371021
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    82.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
铌基超高温合金/硅化物涂层界面扩散动力学及互扩散行为研究
  • 批准号:
    51171010
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
Pt/Ru提高NiAl粘结层抗氧化和抑制元素互扩散及起皱的协同作用机理研究
  • 批准号:
    50971013
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    34.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
Al2O3/Mo(Al,Si)2复合涂层抗氧化和抑制元素互扩散功能实现机制及失效机理研究
  • 批准号:
    50871010
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    31.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
一种具有高效隔热及耐蚀性能的新型纳米多层热障涂层研究
  • 批准号:
    50546030
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    8.0万元
  • 批准年份:
    2005
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
纳米氧化锆基复合涂层的优化设计及热物性研究
  • 批准号:
    50176005
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    23.0万元
  • 批准年份:
    2001
  • 负责人:
    周春根
  • 依托单位:
国内基金
海外基金