Nb-Si基合金超高温涂层失效与热防护机理研究

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基本信息

  • 批准号：
    U1435201
  • 项目类别：
    联合基金项目
  • 资助金额：
    150.0万
  • 负责人：
    周春根
  • 依托单位：
    北京航空航天大学
  • 学科分类：
    E0103.金属材料使役行为与表面工程
  • 结题年份：
    2018
  • 批准年份：
    2014
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

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.
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，阐明氧化等对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。

结项摘要

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。还分析了涂层在1250°C下的氧化动力学与热力学，分析了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。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为(Mo, X)5Si3相（X = Nb, Ti, Cr, Hf）和内层为(Nb,X’)5Si3相（X’ = Ti, Cr, Hf）。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。.设计并采用等离子物理气相沉积（PS-PVD）的方法在基体表面制备了一层Al2O3阻扩散层，并采用SPS方法在阻扩散层上制备了Mo-Si-B涂层。研究了沉积和未沉积Al2O3阻扩散层的Mo-Si-B涂层的相组成、抗氧化行为和扩散行为。研究发现，两种涂层都由MoSi2相和少量的Mo5Si3，SiO2和MoB相。沉积Al2O3阻扩散层的Mo-Si-B涂层在1250°C下氧化100 h的增重小于未沉积Al2O3阻扩散层的Mo-Si-B涂层的增重。另外，通过阻扩散层的应用，Si在互扩散区中的扩散系数由10-5 μm2/s降低到10-7 μm2/s，因此，Al2O3具有很好的阻扩散效果。

项目成果

期刊论文数量（24）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（2）
稀土Y对Nb-Ti-Si基超高温合金组织及抗氧化性能的影响
  • DOI：
    10.13289/j.issn.1009-6264.2016.01.016
  • 发表时间：
    2016
  • 期刊：
    材料热处理学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    张昊;郭喜平;乔彦强
  • 通讯作者：
    乔彦强
Experimental studies and modeling for the transition from internal to external oxidation of three-phase Nb-Si-Cr alloys
三相 Nb-Si-Cr 合金从内氧化到外氧化转变的实验研究和建模
  • 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
Microstructure and oxidation behavior of Mo-Si-Al coating on Nb-based alloy
铌基合金Mo-Si-Al涂层的显微组织和氧化行为
  • DOI：
    10.1016/j.jallcom.2017.11.339
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    Journal of Alloys and Compounds
  • 影响因子：
    6.2
  • 作者：
    Liu Yu;Shao Wei;Wang Changliang;Zhou Chungen
  • 通讯作者：
    Zhou Chungen
Oxidation behavior of the B-modified silicide coating on Nb-Si based alloy at intermediate temperatures
Nb-Si基合金B改性硅化物涂层中温氧化行为
  • DOI：
    10.1016/j.corsci.2017.12.016
  • 发表时间：
    2017-12
  • 期刊：
    Corrosion Science
  • 影响因子：
    8.3
  • 作者：
    Shao Wei;Zhou Chungen
  • 通讯作者：
    Zhou Chungen
Deposition of a B-modified silicide coating for Nb-Si based alloy oxidation protection
用于铌硅基合金氧化防护的 B 改性硅化物涂层沉积
  • DOI：
    10.1016/j.corsci.2016.06.020
  • 发表时间：
    2016-10
  • 期刊：
    Corrosion Science
  • 影响因子：
    8.3
  • 作者：
    Shao Wei;Wang Wan;Zhou Chungen
  • 通讯作者：
    Zhou Chungen

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其他文献

Formation and oxidation resistance of Hf and Al modified silicide coating on Nb-Si based alloy
Nb-Si基合金Hf、Al改性硅化物涂层的形成及抗氧化性能
  • DOI：
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  • 发表时间：
    2014-09
  • 期刊：
    Corrosion Science
  • 影响因子：
    8.3
  • 作者：
    周春根
  • 通讯作者：
    周春根
TiAl合金高温循环氧化行为及其表面改性研究
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    --
  • 发表时间：
    --
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    周春根;徐惠彬
  • 通讯作者：
    徐惠彬
A Study on Aluminide and Cr-Modified Coatings on TiAl Alloys by Pack Cementation Method
TiAl合金包渗法铝化物和Cr改性涂层的研究
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  • 作者：
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  • 通讯作者：
    金奎泳
热处理对等离子喷涂纳米热障涂层热扩散率的影响
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    --
  • 期刊：
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  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    周春根;王娜等
  • 通讯作者：
    王娜等
Deposition of Aluminide and Chromium-Modified Aluminide Coatings on TiAl Alloys Using the Halide -Activared Pack Cementaiton Method
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  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    --
  • 期刊：
    Chinese Journal of Aeronautics
  • 影响因子：
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  • 作者：
    周春根;徐惠彬
  • 通讯作者：
    徐惠彬

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

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AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
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          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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