01.作者簡(jiǎn)介

白明文 博士 英國(guó)考文垂大學(xué)

2015年畢業(yè)于英國(guó)曼徹斯特大學(xué)，獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師為肖平教授 (現(xiàn)任英國(guó)皇家工程院講席教授、英國(guó)材料學(xué)會(huì)表面工程委員會(huì)主席)。畢業(yè)后受英國(guó)工程與自然科學(xué)委員會(huì) (EPSRC) 資助，先后在英國(guó)諾丁漢大學(xué)和謝菲爾德大學(xué)從事博士后研究，并于2020年加入英國(guó)考文垂大學(xué)，任助理教授；2011年起，長(zhǎng)期與英國(guó)勞斯萊斯公司合作，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層的研發(fā)與應(yīng)用；在本領(lǐng)域國(guó)際重要SCI期刊發(fā)表論文40余篇 (總引用900余次，H因子16)，研究成果在國(guó)際性材料大會(huì)上報(bào)告10余次，2次在美國(guó)國(guó)際熱噴涂大會(huì)上獲“最佳論文獎(jiǎng)”，擁有1項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利和2項(xiàng)中國(guó)專利；2021年獲得英國(guó)注冊(cè)工程師 (CEng) 認(rèn)證，同時(shí)擔(dān)任英國(guó)材料學(xué)會(huì) (IOM3) 會(huì)員、 MDPI Coatings 期刊編委會(huì)成員。

02. 文章導(dǎo)讀

熱障涂層能顯著提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和推重比，因具備保護(hù)渦輪葉片的能力而獲得廣泛運(yùn)用，其構(gòu)成一般由外表面的陶瓷隔熱層和抗高溫氧化的中間粘結(jié)層組成 (如圖1所示)。在熱障涂層體系中，粘結(jié)層抗高溫氧化性能的好壞直接決定了熱障涂層體系的服役性能和壽命，因而受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。通過貴金屬鉑改性的粘結(jié)層具有優(yōu)異的抗高溫氧化和熱腐蝕綜合性能，其表面生成的連續(xù)致密氧化鋁膜的抗剝落性強(qiáng)，是對(duì)金屬粘結(jié)層進(jìn)行高溫防護(hù)的優(yōu)選方案。

圖1. 熱障涂層的結(jié)構(gòu)圖。

近年來，英國(guó)勞斯萊斯公司最先開發(fā)了具有γ/γ‘雙相的鉑擴(kuò)散粘合層，其制備過程省去了常規(guī)的滲鋁流程，降低了制備成本，有效替代了傳統(tǒng)β相鉑粘結(jié)層。然而，在長(zhǎng)期使用過程中，由于涂層界面附近的鉑會(huì)不斷擴(kuò)散至耗盡 (如圖2)，已嚴(yán)重危及熱障涂層壽命。目前尚未找到合適的解決辦法，工業(yè)只能通過使用更高鉑含量的粘合層來抵消擴(kuò)散損耗，因此，實(shí)際涂層成本仍然很高。

圖2. 電子探針顯微分析鉑在1150度50小時(shí)擴(kuò)散和氧化之后的元素分布圖。

03. 研究?jī)?nèi)容

在這項(xiàng)研究中，作者通過對(duì)CMSX-4第三代單晶高溫合金進(jìn)行選擇性腐蝕，首次研制出具有單相 (γ或γ') 的改性鉑擴(kuò)散粘結(jié)層。單相鉑粘結(jié)層的制備工藝見圖3。與傳統(tǒng)的γ/γ’雙相粘結(jié)層相比，單相粘結(jié)層顯示出獨(dú)特的擴(kuò)散行為。尤其令人驚訝的是，通過研究發(fā)現(xiàn)，鉑在γ‘相粘結(jié)層中極為穩(wěn)定，擴(kuò)散損耗顯著減少，這意味著可以有效節(jié)省鉑用量。然而，在γ相粘結(jié)層中鉑的消耗更為嚴(yán)重。

圖3. 單相鉑粘結(jié)層的制備工藝示意圖。

圖4顯示的是γ’單相鉑粘結(jié)層橫截面的掃描電鏡照片。從照片A和B中可以清楚地看到通過全新的制備工藝，鉑完全取代了γ相網(wǎng)格，并在1150度50小時(shí)氧化后仍保持單相穩(wěn)定。

圖4. 掃描電鏡照片：γ‘單相鉑粘結(jié)層在1150度50小時(shí)氧化前后對(duì)比。

該涂層技術(shù)已在2015年申請(qǐng)了國(guó)際專利 (專利號(hào)WO 2015181549)，其亮點(diǎn)在于可有效阻止鉑在高溫下的擴(kuò)散損耗問題，能減少約77%的貴金屬鉑材料用量，從而大大降低了熱障涂層的材料成本。此外，本文作者通過Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算，詳細(xì)闡述了鉑在γ’單相中熱穩(wěn)定性被提升的原理：鉑擴(kuò)散主要取決于其它合金元素不同程度上的相互作用。圖5顯示，γ‘相中富含的鋁和鉭可大大降低鉑的活度，抑制其向γ相中擴(kuò)散，從而將鉑有效地穩(wěn)定在γ’單相中。

圖5. Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算得到的在1150度下其它合金元素含量對(duì)鉑的活度的影響。

識(shí)別二維碼閱讀英文原文

原文出自Coatings 期刊

Bai, M.; Chen, Y.; Sun, Y.; Xiao, P. Mitigation of Platinum Depletion in Platinum Diffused Single Phase Bond Coat on CMSX-4 Superalloy. Coatings 2021, 11, 669.