新型复合涂层在高温热腐蚀条件下的应用

　　材料的使用环境决定了其腐蚀是在低温还是高温条件下发生。现代涡轮发动机需要更高效率和更高性能的材料，该材料需要在高温条件下仍能发挥其最大效率。然而，较高的操作温度(高压涡轮发动机叶片使用温度可以升高至大约1250℃，最新的涡轮发动机最热位置处金属表面温度接近1150℃)不可避免造成部件高温腐蚀，从而显著降低其使用寿命。氧化和热腐蚀是决定涡轮发动机部件使用寿命的两个重要因素(高温腐蚀下)。在氧化条件下，失效速度较慢，而在热腐蚀条件下，失效速度明显加快，如果没有选用合适的材料和涂层，必然导致灾难性故障。

　　热腐蚀是由于燃烧环境中某些侵蚀性成分的作用而造成保护性涂层破损，并对涂层下金属基体产生加速侵蚀的过程。热腐蚀主要是因为燃料中硫、钒和钠的含量分别高达4%、0.05%和0.01%(均以质量计)。氯化物和硫酸盐随空气进入发动机，燃料燃烧时硫、钒和钠被氧化，并且大部分形成挥发性的化合物，如SO2、SO3、NaOH、Na2O2、Na2O、VO(OH)3、V2O5和V2O4。根据燃料种类的不同，这些化合物在不同温度(500~900℃)时凝结并累积在一起，硫酸钠是使用高硫低钒燃料发动机中的主要沉积物。下面列举了三种类型燃气轮机(即航空燃气轮机、海洋燃气轮机和工业燃气轮机)的工作环境中可能存在的主要污染物。

　　从上表可以看出，相对于航空、工业应用，海洋应用更为复杂严峻，因为海洋环境的侵蚀性体现在因燃料燃烧产生的硫化物，以及海水中所含的各种卤化物和钠。这些物质能极大地加快材料腐蚀，从而大大降低高温合金部件的使用寿命和可靠性，进而降低其承载能力，并可能导致组件的灾难性失效。

　　为了提高发动机等高温合金部件的使用寿命，经过成分优化，巴锶氟公司开发出一款NiCoCrAlY涂层。该涂层在模拟燃气涡轮发动机环境中，在高温热腐蚀(800-950℃)条件下，最大使用寿命可以超过300h(高温合金裸材在同等条件下使用寿命不超过2h)，使用寿命提高150倍。该涂层的高性能是由于在900℃的高温腐蚀期间能够在该涂层表面上形成连续的、附着力强的以及具有良好保护性的氧化铝层。在此基础上，巴锶氟研究团队进一步模拟在涡轮发动机使用环境下，高温合金裸材、NiCoCrAlY涂层、以及不同厚度的氧化锆基TBC(热障涂层，通常涂覆于燃气轮机的叶片等高温部件表面)在900℃条件下的使用寿命。具体结论见下表：

　　从上面实验结论可以看出，使用100μm厚的TBC的高温合金寿命比其裸材寿命提高了约450倍，而具有最长使用寿命的是300μm厚的TBC与125μm厚的NiCoCrAlY复合涂层，这种复合涂层能将高温合金寿命提高约600倍。该复合涂层能提高基体的使用寿命是由于在该键合涂层表面和TBC表面均形成了保护性的氧化铝和氧化铬氧化层。此外，硫和氧被阻断，没有扩散到涂层中去，对高温合金起到了很好的保护作用，从而使高温合金基体的使用寿命达到最大。