东北大学 CN 10826423 用于高温合金的搪瓷保护层

技术背景

随着服役环境的日趋苛刻，大部分高温结构材料需要同时满足高温力学性能与抗腐蚀性能等多项指标的要求。而单从成分设计(调整)出发，高温合金很难实现力学性能与抗高温腐蚀性能的综合最优化，两者对成分的要求往往是相互矛盾的。因此，在通过成分调整满足合金力学性能的前提下，通常以施加高温防护涂层的方法来提高高温合金的耐高温腐蚀性能。

当前，高温防护涂层主要包括金属涂层与陶瓷涂层。其中，常用的金属涂层有渗铝涂层以及包覆MCrAlY涂层。在高温使用过程中，金属涂层由于与合金基体成分上的巨大差异，存在明显的互扩散，严重影响合金的高温力学性能。此外，在热腐蚀环境中，金属涂层表面生成的氧化物在沉积盐中会持续溶解，不能快速形成完整的保护性氧化膜，热腐蚀速率较快。相比较而言，陶瓷涂层的抗热腐蚀性能较金属涂层优异，但是由于其与合金基体较大的线热膨胀系数差以及较弱的界面结合，在热循环条件下，涂层容易开裂剥落，从而丧失对合金基体的高温防护作用。

除了传统的金属涂层与陶瓷涂层之外，还有一种非常适合于熔盐、气氛等苛刻环境下的高温防护涂层，即搪瓷涂层。搪瓷涂层在烧结制备的过程中，能与合金基体发生反应形成界面的化学结合，尤其适合于高温合金。因此，在热循环条件下，搪瓷涂层的抗界面剥落能力优于传统的陶瓷涂层。加上其优异的阻氧扩散能力，搪瓷涂层的抗高温氧化性能又优于传统的金属涂层。

技术问题

1)搪瓷涂层中由于含有过量的低熔点组元(如：ZnO、Na2O等)作为助溶剂，在高温服役的过程中，搪瓷涂层中的低熔点组元容易与合金基体中的Cr发生反应，并最终在涂层表面进一步氧化生成大量的铬酸盐尖晶石类腐蚀产物，如：ZnCr2O4，大幅度降低搪瓷涂层抗氧化性能；

2)大量低熔点组元的加入，打断硅氧四面体中的硅氧键，使得腐蚀介质中的合金离子更容易渗透进入搪瓷涂层，从而进一步降低搪瓷涂层的软化点，使得硫以及氯离子能够更加容易地渗透通过搪瓷涂层直至合金基体，严重影响搪瓷涂层的耐热腐蚀能力

3)搪瓷中的玻璃相在高温下极不稳定，易析出各种形状、类型的晶体，由于析出晶体与搪瓷中玻璃相在热物理性能上的不匹配，产生较大的内应力，搪瓷涂层的抗热冲击性能受到很大影响

技术思路

通过调整搪瓷釉中网络形成剂组元的含量，增加搪瓷网络连接程度，提高高温稳定性并降低腐蚀介质在搪瓷涂层中的扩散速度，进而提高搪瓷涂层的抗高温氧化性能；采用稳定、高效的助溶剂组元氧化锶替代氧化锌、氧化钠等，抑制搪瓷涂层与高温合金之间的过度反应，提高界面稳定性；并且，通过高韧性的耐热合金颗粒提高涂层韧性、难熔陶瓷颗粒提高搪瓷的高温强度，而通过稀土氧化物调控搪瓷涂层的微观组织结构，提高其抗热冲击的能力。

技术方案

该高温搪瓷涂层由搪瓷釉、耐热金属颗粒和陶瓷颗粒组成，按照质量百分比计，搪瓷釉65～75％，耐热金属颗粒2～6％，陶瓷颗粒23～35％；其中，搪瓷釉的配方为：二氧化硅61～67％、二氧化锆6～11％、三氧化二铝3～10％、三氧化二硼4～9％、氧化钙1～7％、氧化锶7～13％、氧化钾2～6％，氧化钙、氧化锶以及氧化钾的总含量为16～22％

所述的抗氧化、耐腐蚀、抗冲击的高温搪瓷涂层，所述的耐热金属颗粒为不锈钢、NiCrAlY、NiCrAl中的一种或两种以上的任意配合，原始粉末颗粒度小于20μm；所述的陶瓷颗粒为三氧化二铝、三氧化二铬以及二氧化铈，颗粒度均小于5μm，按照质量百分比计，三氧化二铝15～25％，三氧化二铬2～6％，二氧化铈2～6％。

所述的抗氧化、耐腐蚀、抗冲击的高温搪瓷涂层的制备方法，制备步骤为：1)熔炼搪瓷釉料；2)制备搪瓷微粉；3)制备复合搪瓷悬浮液；4)高温搪瓷涂层的喷涂与烧制。

性能指标

针对IN738、K444、K438等高铬的高温合金，经该高温搪瓷涂层涂覆后，1050°C抗氧化级别达到最高的完全抗氧化级(航标5258-2000)；1050°C燃气热腐蚀增重小于0.1g/m2h，失重小于0 .1g/m2h；850°C热腐蚀(涂盐Na2SO4 NaCl)加速热腐蚀寿命>200h，腐蚀增重≤0.1g·m-2h-1，剥落失重≤0.1g·m-2h-1；900～1050°C热冲击(水淬)200个循环后，涂层剥落面积小于3％