CoNiCrAlY覆盖涂层与硅改性镍铝化物扩散涂层的对比：在热腐蚀、氧化和侵蚀方面的性能分析

《Materials Chemistry and Physics》：CoNiCrAlY Overlay Coating vs. Silicon-Modified Nickel Aluminide Diffusion Coating: A Comparison on Hot Corrosion, Oxidation, and Erosion

高温环境下CoNiCrAlY涂层与Si改性Ni-Al扩散涂层的性能对比研究表明，Si改性涂层在SiO?颗粒冲击侵蚀中表现最佳，质量损失最低；而CoNiCrAlY涂层在1100℃氧化及850℃熔盐腐蚀中更具优势，其致密Al?O?/Cr?O?亚晶界结构抑制了氧化和腐蚀进程。两种涂层在热腐蚀动力学和微观结构上存在显著差异，分别为涡轮叶片提供不同的防护策略。

　　

Fatemehsadat Sayyedan|Ali Reza Tousi

伊朗马什哈德费尔多西大学工程学院材料科学与工程系，邮编9177948944

摘要

本研究全面比较了CoNiCrAlY涂层和Si改性的Ni–Al扩散涂层在Inconel 738LC合金上的高温性能，重点关注了耐磨性、氧化行为以及与燃气轮机环境相关的高温腐蚀动力学。磨损测试表明，在SiO₂颗粒冲击下，Si改性的扩散涂层具有最低的质量损失，这证实了其比CoNiCrAlY涂层和未涂层合金具有更好的机械稳定性。在1100 °C下的循环氧化实验中，两种涂层均显著抑制了氧化物的生长，并使氧化过程从线性（未涂层）转变为抛物线形；其中CoNiCrAlY涂层由于形成了致密的Al₂O₃/Cr₂O₃亚层，总体质量增加最少。XRD和SEM/EDS分析确认，扩散涂层主要形成了α- Al₂O₃氧化层（硅的添加起到了促进作用），而CoNiCrAlY涂层则形成了具有增强附着力的双相氧化铝-尖晶石结构。在Na₂SO₂–NaCl–V₂O₅熔盐环境中的高温腐蚀测试显示，Si改性的扩散涂层在750 °C时具有最低的腐蚀电流密度；而在850 °C时，CoNiCrAlY涂层由于其铬稳定的氧化层结构而表现出更好的抗腐蚀性能。总体而言，结果表明，在以磨损为主或中等温度腐蚀条件下，Si改性的扩散涂层最为有效；而在高温氧化和高温腐蚀防护方面，CoNiCrAlY涂层表现最佳，根据不同的使用要求，两者具有各自的优势。

引言

燃气轮机发动机对效率和性能的持续追求对高温部件（尤其是涡轮叶片）提出了极高的要求。这些部件在高温、腐蚀性气体环境以及严重的热机械疲劳作用下工作，因此需要超出基材本身能力的先进防护策略[1]。MCrAlY（M：Ni、Co或Co/Ni）涂层在这方面是一项关键技术，其特点是能够形成稳定的、生长缓慢的α-氧化铝（Al₂O₃）氧化层，从而有效抵御高温氧化和高温腐蚀[2, 3]。

除了广为人知的抗氧化和抗腐蚀性能外，MCrAlY涂层的机械完整性（尤其是硬度和附着力）对涡轮叶片的寿命和可靠性也至关重要[4]。虽然氧化铝氧化层的形成可以抵御高温氧化和高温腐蚀，但这些涂层抵抗侵蚀磨损、外来物损伤和热机械疲劳的能力直接与其内在的机械性能及其与超级合金基材的结合强度相关[5, 6]。

尽管MCrAlY涂层为涡轮叶片提供了强大的防护，但改性的镍铝化物扩散涂层也是一种同样重要的保护策略，适用于极端的工作环境[7, 8]。与MCrAlY涂层的添加性质不同，扩散涂层是通过铝在镍基超级合金基材中的扩散反应形成的[9]。然而，基本的NiAl金属间化合物虽然具有良好的抗氧化性能，但在恶劣的高温腐蚀环境或严重的热机械循环条件下往往表现不佳[10]。因此，人们开始研究添加Pt[11]、Cr[12]、Si[13]或Hf[14]等元素的改性方案。

为了提高高温部件的性能，需要先进的涂层技术；然而，选择合适的改性元素时需要权衡效果、成本和环境影响[15]。虽然铬在抵抗高温腐蚀方面有效，但由于其在某些条件下会形成六价铬，这对可持续和合规的材料选择构成了挑战[16]。铂和铪无疑是强有力的改性剂，能够显著提高抗氧化性和氧化层附着力[17]，但它们的应用往往受到高昂成本的限制。作为贵金属，铂的稀缺性和处理铪的高昂成本使得这些改性方案在大规模或成本敏感的应用中难以实现经济可行性。考虑到这些因素，硅成为改性镍铝化物扩散涂层的理想选择，因为它能够在不带来其他常见合金元素缺点的情况下提供出色的防护性能[18]。

最近在CoNiCrAlY合金设计方面的进展探索了超越传统元素改性的新方法，特别是通过添加MoSi₂和使用振荡激光定向能量沉积（OL-DED）技术。一项系统研究[19]表明，在OL-DED制备的CoNiCrAlY合金中增加MoSi₂含量可以促进β-NiAl相的形成，同时降低形成连续保护性Al₂O₃氧化层所需的铝含量。当MoSi₂添加量超过5 wt.%时，会形成独特的核-β/壳-Laves结构，有效抑制了晶界处的阳离子扩散，使氧化过程转变为缓慢的晶格扩散。这种微观结构工程使得CoNiCrAlY-10MoSi₂合金在1000 °C下500小时后的质量增加仅为0.36 mg/cm²，比未掺杂的合金降低了62.1%。基于这一发现，同一研究团队[20]进一步证明，10 wt.%的MoSi₂添加会诱导形成(Cr,Mo)₃(Co,Ni)₅Si₂相，该相能够将铬和钼固定在合金中。这种固定机制具有双重作用：抑制易挥发的MoO₃的形成（否则会降低氧化层附着力），并抑制有害的尖晶石氧化物（如Co(Ni)Cr₂O₄）的生长。因此，CoNiCrAlY-10MoSi₂合金在超过1100 °C的温度下仍能保持稳定的氧化性能，比传统的CoNiCrAlY系统高出100 °C。

尽管过去二十年里多位研究人员分别研究了MCrAlY涂层的高温性能，但目前尚未对这些涂层在相似条件下的性能进行过全面比较。本研究旨在比较CoNiCrAlY涂层和Si改性的镍铝化物扩散涂层在燃气轮机中的长期防护效果。通过剖析磨损、高温氧化和高温腐蚀的基本原理，可以为下一代涡轮机应用提供对涂层性能的更深入理解。

材料与方法

使用含61.5 wt.% Co、33 wt.% Ni、21 wt.% Cr、7 wt.% Al和0.5 wt.% Y的9330级粉末，通过高速氧燃料（HVOF，Castolin Eutectic品牌）工艺将CoNiCrAlY涂层涂覆在Inconel 738LC基材上。喷涂参数详见表1。

为了制备Si改性的镍铝化物扩散涂层，将铝和硅金属粉末按4:1的比例与乙醇和PVA粘合剂混合后喷涂在叶片表面。

结果与讨论

图5展示了用于高温腐蚀实验的Na₂SO₄–NaCl–V₂O₅盐混合物的差热分析（DTA）曲线。热曲线显示了该多组分盐熔化过程中的两个显著特征。

第一个吸热峰出现在大约620 °C，对应于熔化的开始。此时系统中形成了初始的液态成分。

结论

本研究全面比较了CoNiCrAlY涂层和Si改性的Ni–Al扩散涂层在Inconel 738LC合金上的高温氧化、高温腐蚀和耐磨性能。根据实验结果，可以得出以下结论：

1.

Si改性的Ni–Al扩散涂层在SiO₂颗粒冲击下表现出最高的耐磨性，具有最低的质量损失和最平缓的磨损趋势。

作者贡献声明

Fatemehsadat Sayyedan：撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验实施、概念构思。Ali Reza Tousi：初稿撰写、软件使用、数据分析

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢伊朗马什哈德的Niroo Pajooh Shargh公司在本项目中提供的氧化和高温腐蚀实验合作。