先进铝化物涂层制备技术进展

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1、涂层技术COATINGTECHNOLOGY先进铝化物涂层制备技术进展沈明礼，朱圣龙（中国科学院金属研究所，沈阳110016）[摘要]铝化物涂层是现役发动机热端部件高温氧化防护的主要手段。未来，高性能铝化物涂层仍是发展先进发动机所必需的技术。传统基于化学气相的制备方法不仅污染环境，腐蚀设备，效率低下，更重要的是难以有效制备高性能铝化物涂层。高效“绿色”化将是先进铝化物涂层制备技术的发展趋势。近年通过利用机械能辅助的策略获得了高效制备铝化物涂层的方法。另外，利用真空物理气相沉积加高温扩散的策略，“绿色”制备高性能铝化物涂层的

2、研究也进展显著。结合上述两种策略，利用真空等离子辐照形成的离子撞击能，可高效、“绿色”地制备铝化物涂层，为高性能铝化物涂层的制备提供了一种新的有效途径。关键词：铝化物涂层；“绿色”化技术；离子辐照；涡轮叶片DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2016.21.105存在多种物相，如NiAl3、δ-Ni2Al3、长寿命抗氧化防护的主要候选涂层[1-2]β-NiAl和γ’-Ni3Al相等，其中之一。铝化物涂层的传统制备β-NiAl相因其较高的熔点、韧性、方法，主要以化学气相反应产生活性相稳定性以及优异的氧

3、化铝膜形成铝源，并依赖于高温热扩散形成铝化能力，通常是构成镍铝化合物涂层的物涂层，存在问题包括：涂层制备效主要物相。铝化物涂层主要借助于率低，高化学反应活性的稀土元素难热扩散方式，通过合理控制活性铝源以有效可控的掺杂入涂层，难以避免的供给以及扩散温度，最终在镍基高来自反应助剂的多种有害元素掺入温合金表面获得β-NiAl涂层（厚度所导致的涂层性能恶化。此外，化学一般小于100μm），并在β-NiAl与反应形成的大量腐蚀性气体不仅严基体间形成数微米厚的互扩散区，涂重腐蚀设备，而且造成环境污染。因层与基体间为冶金结合。其中活性

4、而，用于先进发动机热端部件高温防铝源的供给方式，包括化学气相和物护要求的高性能铝化物涂层，依赖于沈明礼理气相方法，对涂层性能具有重要影传统制备方法难以高效制备。因此，中国科学院金属研究所副研究员，响，是获得高性能铝化物涂层的关键发展高性能铝化物涂层的新型高效主要从事新型高温防护涂层研究。技术之一。元素掺杂对铝化物涂层“绿色”制备技术具有重要意义。近抗高温氧化性能具有重要影响。稀年，在铝化物涂层制备技术方面的进铝化物涂层作为具备氧化铝膜土活性元素等有益元素掺杂能够显展主要为两条相对独立的发展路线：形成能力的一种典型涂层，是

5、航空著改善热生长氧化铝膜的粘附性，（1）高效化制备；（2）为“绿色”化制发动机热端部件高温氧化防护的主提高涂层抗高温氧化性能；而硫、氢备。本文将从该角度简述铝化物涂要手段之一。航空发动机热端部件等有害元素掺杂可显著降低氧化铝层制备技术的主要进展。如涡轮叶片等主要为镍基高温合金，膜粘附性，恶化涂层抗高温氧化性因此，本文所述铝化物主要为镍铝能。研究表明，稀土活性元素掺杂高效制备金属间化合物。镍铝金属间化合物改性铝化物涂层是1000℃以上高温高效制备铝化物涂层依赖于相2016年第21期·航空制造技术105涂层技术COATING

6、TECHNOLOGY应原子扩散动力学的提高。原子扩数十kV，但电流较小，为几个安培，散动力学一般由菲克定律描述。被蒸发靶材粒子离化率低。电子束dC蒸发出来的粒子能量较低，在数个J=−D，dxeV量级，以靶材蒸气冷凝沉积方式可见，提高扩散动力学，可通过增加获得涂层。基体温度较低时，沉积的试样化学势梯度和提高扩散系数的方式涂层致密性及与基体结合力较低，因实现。对实际材料来说，过度提高化（a）金属球撞击金属材料表面引起此，需要后续高温真空退火使涂层组塑性变形学势梯度，将引发形成其他不希望形织致密化和增强界面结合力。抽真空成的化

7、合物相。通常以提高温度的Guo等采用NiAl和Dy含量试样方式提高扩散系数。但温度过度提0.1%的NiAlDy为靶材，利用EB-高可破坏基体材料组织，导致材料性PVD在镍基高温合金K3基体上沉能降低。因而，这种传统上通过改变积了Dy掺杂及纯NiAl涂层，后续[2,9-11]化学势梯度和温度的方式对扩散动再经1050℃真空扩散处理4h。力学的提高限制因素较多。1150℃循环氧化测试表明，纯NiAl近年，在提升原子扩散动力学方涂层经25次循环氧化后氧化膜开面研究进展迅速。基于原子扩散的始剥落，而Dy掺杂NiAl涂层循环激振器

8、空位交换机制，增加空位缺陷浓度，氧化100次后氧化膜才发生轻微剥可大幅提升原子扩散动力学。众所（b）金属表面纳米化装置示意图落。采用磁控溅射沉积同样可以制[12]周知，纳米晶材料存在大量晶界，晶备NiAl涂层。界既可构成原子扩散的快速通道，又由于NiAl靶材脆性较高，难以可提供大量空位，较之于粗晶材料，球试样加工，发