面向1600℃新型难熔高熵合金设计与包埋熔渗涂层的协同抗氧化机理
批准号:
52105233
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
何鹏飞
依托单位:
学科分类:
摩擦学及机械表界面科学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
何鹏飞
中文摘要
高温氧化已成为限制难熔高熵合金在航空航天领域发展应用的瓶颈问题。基于此,本项目重点研究难熔高熵合金的成分优化设计、高温氧化机理以及高温抗氧化性能调控。通过“合金组元改性”方法,形成高通量建模优化难熔高熵合金组分设计方法,建立合金的微观结构和力学性能预测模型,并结合实验验证,得到高温力学性能优异的新型难熔高熵合金。揭示合金在1600℃高温条件下初期选择性氧化机理,阐明初期选择性氧化对后续氧化反应的影响。通过包埋熔渗的“表面涂层改性”方法,在新型难熔高熵合金表面进一步可控制备耐高温-抗氧化-强结合的硅化物-硼化物复合梯度涂层,揭示复杂多元硅/硼化物涂层的成形与抗氧化机理。本项目为难熔高熵合金高温环境下的应用提供理论依据和技术支持。
英文摘要
High-temperature oxidation has become the bottleneck for development and application in aeronautics and astronautics of refractory high-entropy alloys. Therefore, the project focuses on the optimizing composition, high-temperature oxidation mechanism study and improvement of oxidation resistance of refractory high-entropy alloys. Through the “alloy component modification” method, a high throughput modeling method optimizing composition of refractory high-entropy alloys is achieved, and the prediction model of the alloy's microstructure and mechanical properties is established. Besides, combined with the corresponding experimental verification, the refractory high-entropy alloys with excellent high-temperature mechanical performance are prepared. Studying interfering factors will reveal the mechanism of the early selective oxidation and clarify how the early selective oxidation drives the following oxidation behavior under the high oxidation temperature of 1600 ℃. Through the “surface coating modification” method of embedding and infiltrating, a silicide-boride composite gradient coating is further prepared on the surface of the new refractory high-entropy alloy. And a high temperature resistance-oxidation resistance-strong bonding strength protective coating is prepared controllably. In addition, the formation and anti-oxidation mechanism of the complex multi-components silicon/boride coating is clearly revealed. This project will provide a reliable theoretical basis and technical support for the application under higher temperature of refractory high-entropy alloys.
难熔高熵合金是近些年发展起来的一种新型耐高温合金材料,具有良好的高温强度、高温韧性和优异的抗疲劳性能,在航空航天等耐高温领域具有十分广阔的应用前景。然而,难熔高熵合金在高温有氧环境中迅速发生灾难性氧化,已成为限制其广泛应用的技术瓶颈。本项目重点围绕新型难熔高熵合金设计、高温氧化失效机制与涂层抗氧化防护机理展开。.难熔高熵合金高通量组分优化设计。采用真空熔炼工艺制备了具有双相结构(BCC+HCP)TaWHfZr(Re)和TaWHf(Re)难熔高熵合金。为充分发挥材料计算设计在难熔高熵合金研发方面的优势。制备了具有单相BCC结构的TaWNb(Re)系难熔高熵合金,结合第一性原理计算建立了该体系的原子模型并预测力学性能。通过1600℃高温力学性能测试进一步筛选性能最佳的元素配比。此外,在经典组分NbMoTaW合金中引入Zr元素,合金同样具有双相组织结构,实现了合金的高温强度和延展性的同步提升。.高温选择性氧化及对后续氧化过程影响机理。测试了TaWHfZr(Re)、TaWHf(Re)、TaWNb(Re)和NbMoTaWZr系在1200-1600℃不同温域段的高温静态抗氧化性能。研究发现,即使添加具有氧化抗性的Zr\Hf组元,在1600℃高温条件下氧化初期(10分钟)便发生了严重的氧化失效(抗氧化性能最佳的TaWHfZr(Re)合金体系其氧化增重率高达8.2%)。通过第一性原理计算建立了TaWNb(Re)系难熔高熵合金氧吸附和氧扩散模型,计算了氧原子作用在TaWNb(Re)合金晶格表面的电子结构、氧吸附能、氧结合能和氧扩散能垒等,证明了Re元素掺杂对难熔高熵合金氧化抗性的提升,从原子尺度阐述了合金与氧原子的相互作用机理。.新型难熔高熵合金表面改性涂层制备与性能。采用包埋渗硅、浆料熔烧+包埋渗硅两种涂层制备工艺分别在NbMoTaWZr和TaWNb(Re)系难熔高熵合金表面制备了硅化物基抗氧化涂层。研究了工艺对涂层组织结构和物相组成的影响规律。测试了涂层1200-1600℃抗氧化性能,绘制涂层的氧化动力学曲线,并与未包埋涂层的纯合金样品进行对比,揭示了涂层沿深度方向组织结构演变规律及高温氧化行为,研究了氧化膜的相组成与高温退化失效机制,从而阐明了难熔高熵合金表面包埋熔渗涂层的高温抗氧化机理。
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