摘要：航天用高溫合金在服役時(shí)，都需要在其外表面涂敷防護(hù)涂層。這一方面可增強(qiáng)合金材料的抗高溫氧化與腐蝕性能，而且涂層本身較薄，不影響材料的力學(xué)性能。文章簡(jiǎn)單介紹了近年來(lái)高溫合金表面常用的一些高溫防護(hù)涂層，如鋁化物涂層、包覆涂層、熱障涂層以及濺射納米晶涂層等。

關(guān)鍵詞：高溫合金；防護(hù)涂層；高溫氧化；熱腐蝕

眾所周知，性能越是先進(jìn)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，它的進(jìn)口溫度也越高。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片來(lái)說(shuō)，不但需要優(yōu)良的高溫機(jī)械性能，還要具備極佳的抗氧化性能和抗腐蝕性能。僅依靠改善葉片材料本身的性能已經(jīng)無(wú)法滿足這些要求，而高溫防護(hù)涂層的出現(xiàn)，成功解決了這一問(wèn)題。高溫合金的防護(hù)涂層大多數(shù)較薄，一般來(lái)說(shuō)起到保護(hù)基體合金不受高溫氧化腐蝕的作用，而對(duì)高溫下機(jī)械強(qiáng)度的要求可以讓合金基體承擔(dān)，這種設(shè)計(jì)能夠大幅度地提高合金的使用年限。

1 鋁化物涂層

鋁化物涂層最早是使用粉末包埋法制備的。在鎳基合金的外表面經(jīng)過(guò)擴(kuò)散滲鋁的方法，可以得到金屬化合物。在高溫腐蝕環(huán)境中，這些金屬間化合物的表面就會(huì)生成具有保護(hù)性的氧化膜，從而提高了合金基體的抗氧化性能。制備這種擴(kuò)散涂層的方法比較多，常用的方法有包埋滲鋁法、熱浸滲鋁法等。

簡(jiǎn)單滲鋁涂層的抗氧化性能較好，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。但也存在不少缺點(diǎn)，如抗熱腐蝕性能較差、退化速度過(guò)快等，20世紀(jì)60年代末期，新式的鋁化物涂層開始出現(xiàn)。有人發(fā)現(xiàn)，在一般的滲鋁涂層里添加微量的RE等，能夠極大地增強(qiáng)傳統(tǒng)鋁化物涂層的抗腐蝕性[1]。

除了上述的改性鋁化物涂層之外，還有Al/Si復(fù)合涂層、RE/Al復(fù)合涂層、難熔元素/鋁化物復(fù)合涂層等，這些通過(guò)改進(jìn)的滲鋁涂層基本上都提高了傳統(tǒng)鋁化物涂層的抗高溫氧化及抗腐蝕性，其應(yīng)用前景非常好。

2 包覆涂層

在1960年之后，等離子噴涂技術(shù)、磁控濺射技術(shù)及電子束沉積等技術(shù)的快速發(fā)展，MCrAlY包覆涂層逐漸發(fā)展，并迅速在高溫腐蝕防護(hù)領(lǐng)域得到推廣。該涂層與合金基體的兼容性非常好，具有高韌性、較高的熱強(qiáng)度、優(yōu)異的抗氧化性能與抗腐蝕性能，最關(guān)鍵的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)優(yōu)化沉積參數(shù)和時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)涂層的厚度。

目前制備MCrAlY涂層的方法比較多，常用的方法包括物理沉積法、多弧離子鍍法、磁控濺射法等，另外，還有近年來(lái)流行的噴涂技術(shù)，例如等離子噴涂法、火焰噴涂法以及氬氣罩等離子噴涂法。

3 熱障涂層（TBCs）

眾所周知，航空燃汽輪機(jī)的進(jìn)口溫度和推重比越來(lái)越高，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟燃皦毫Φ葏?shù)也不斷提升。為了能夠在這種復(fù)雜苛刻的環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間服役，一種新型的復(fù)合涂層出現(xiàn)了，這就是熱障涂層。熱障涂層一方面能夠降低發(fā)熱零件的使用溫度，防止材料的氧化及熱腐蝕，另一方面也能讓傳統(tǒng)的防護(hù)涂層煥發(fā)新的活力。

現(xiàn)在，制備新型的熱障涂層有兩種方法：電子束氣相沉積法以及等離子噴涂法。該涂層在熱循環(huán)條件下服役時(shí)，涂層內(nèi)部可能產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致開裂或剝落，最終導(dǎo)致熱障涂層失效。目前，科學(xué)家設(shè)計(jì)出的多層系統(tǒng)/梯度熱障涂層體系在一定程度上克服了上述缺點(diǎn)，但因其成本太高、制備工藝繁瑣，未投入應(yīng)用。

4 濺射納米晶涂層

20世紀(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)院金屬所的科學(xué)家樓翰一和王福會(huì)等[2]首次提出了自防護(hù)合金的理論，采用磁控濺射的方法研制出一種新型的微晶涂層體系，就是后來(lái)被人們所熟知的納米晶涂層。

納米晶涂層有很多優(yōu)點(diǎn)，例如抗恒溫氧化的性能、抗循環(huán)氧化的性能、優(yōu)異的抗剝落性能和極佳兼容性。這種涂層與合金基材具有完全一樣的元素成分，因此在長(zhǎng)期服役時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)與其他傳統(tǒng)防護(hù)涂層一樣的二次反應(yīng)區(qū)，并形成有害的TCP相[3]。表面納米化極大地提高了合金的抗氧化性能和熱腐蝕性能。

5 發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景

綜上所述，未來(lái)一段時(shí)間，高溫防護(hù)涂層研究的重點(diǎn)仍舊是抑制涂層與合金基體在高溫下的互擴(kuò)散及脆性相。與此同時(shí)，采用先進(jìn)技術(shù)逐漸延長(zhǎng)涂層的服役壽命，優(yōu)化制備工藝，降低制備成本。隨著表面納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，與合金基體同成分的納米晶涂層將成為研究的熱點(diǎn)，這種涂層具有很好的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]GOWARD G W.Progress in coatings for gas turbine airfoils[J].Surface and Coatings Technology，1998（108/109）：73-79.

[2]WANG F H.The effect of nanocrystallization on the selective oxidation and adhesion of Al2O3 scales[J].Oxidation of Metals，1997（3-4）：215-224.

[3]WANG X Y，XIN L，WANG F H，et al.Influence of sputtered nanocrystalline coating on oxidation and hot corrosion of a nickel-based superalloy M951[J].Journal of Materials Science & Technology，2014（9）：867-877.