● 摘要
随着航空发动机工业的发展，人们对新型热端部件提出了更高的要求。Nb-Si系高温合金以其低密度、高熔点，和良好的高温力学性能引起了世界范围的广泛关注，其潜在服役温度可达1350℃以上，但在中高温下其抗氧化性能较差，极大地限制了其高温应用。表面涂层技术是一种有效的提高铌基合金表面高温抗氧化性能的方法。一些研究表明Al-Si-Cr体系具有很好的抗氧化性能，因为该体系可以生成保护性能较好的氧化物层。但是，迄今为止，还没有将Al-Si-Cr合金体系用于铌硅合金表面抗氧化涂层的报道。采用电弧熔炼的方法制备了6种不同成分的Al-Si-Cr合金。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)方法分析了合金的相结构和相成分和在1250℃温度下合金的高温抗氧化性能。结果表明，合金氧化100h后，单位面积氧化增重均低于8mg/cm2，其中成分为Al-51Si-37Cr的合金增重仅为2.98mg/cm2，表明Al-Si-Cr合金具有很好的高温抗氧化性能。对合金表面氧化物结构和形貌，以及合金氧化截面进行了分析，结果表明Al-Si-Cr合金氧化100h后，合金表面形成了一层均匀的Al2O3氧化物。该氧化物层致密、连续，成功阻挡氧向基体的扩散，起到了很好的保护作用。采用等离子喷涂的方法将成分为Al-51Si-37Cr(at.%)的合金粉末喷涂于Nb-16Si-24Ti-16Cr-6Al-2Hf基体上，涂层厚约150μm。采用XRD、扫描电子显微镜、以及EDS等方法，分别对涂层表面形貌、结构、成分等进行分析。在1250℃下，分别对铌硅合金基体试样和喷涂Al-Si-Cr涂层后的试样进行100h恒温氧化实验，对氧化后涂层表面形成氧化物进行分析。结果表明Al-Si-Cr涂层主要由Cr(Si,Al)2和Cr5Si3两相组成；氧化后涂层表面形成致密的保护性氧化膜；氧化物层具有分层结构，外层为Cr2O3，内层为Cr、Si和Al三种元素的复合氧化物。对Nb-Si基体-涂层间阻挡层阻扩散原理进行了初步探讨，通过理论计算获得了扩散元素在Barrier-Substrate界面处浓度以及扩散通量的表达式；进一步分析讨论得出：扩散元素在Barrier-Substrate界面处浓度与扩散元素在扩散阻挡层中扩散系数Db、溶解度Cbs，以及扩散阻挡层层厚度lb有关；lb越大阻扩散效果越显著，活性扩散元素在扩散阻挡层中的扩散系数Db和扩散元素在扩散阻挡层中的溶解度Cbs越小，阻扩散效果越显著。