[发明专利]一种多功能的氧化铝/金属微叠层涂层

说明书

技术领域

本发明涉及金属与陶瓷的复合材料及其涂层技术，用于宽温域合金的高温防护和合金的防氚渗透、抗氢损伤。

背景技术

1)有关宽温域合金高温防护的背景技术

高温合金是发展航空发动机、超高速飞行器、火箭发动机、天地往返飞船、核反应堆、核聚变装置、火力发电锅炉、舰船发动机等的关键材料。高温合金必须满足两个主要的要求：一是足够优异的高温力学性能；二是足够好的抗高温氧化性能。然而，高温合金的高温力学性能和抗高温氧化性能对合金成分的需求是不一致的，这一矛盾已成为研制新型高温合金的主要障碍。为了解决这一矛盾，人们的共识是发展高温防护涂层。将高温合金基体与涂层构成一个复合的材料，使其内部保持足够的高温力学性能，而表面又具有优异的抗高温氧化性能(朱日彰、何业东、齐慧滨，高温腐蚀与耐高温腐蚀材料，上海科学技术出版社，1995)。

目前，发展的高温合金防护涂层主要是合金涂层和陶瓷涂层。合金涂层主要通过形成Al₂O₃、Cr₂O₃、SiO₂氧化膜来实现抗高温氧化(P.Kofstad，High TemperatureCorrosion，London：Elsver Applied Science，1988)。合金涂层的寿命取决于两个重要因素：1.合金涂层与合金基体之间存在互扩散；2.氧化膜的开裂与剥落(M.Schütze，M.Malessa，V.Rohr，T.Weber，Surface&Coatings Technology 201(2006)3872-3879)。陶瓷涂层的寿命则完全取决于陶瓷涂层的开裂与剥落。研究表明，决定氧化膜是否开裂与剥落的主要因素是氧化膜中的应力和氧化膜/合金界面的结合强度。氧化膜中的应力有两种主要来源：一种是生长应力，是在氧化膜恒温生长中产生的；另一种是热应力，是在温度变化的条件下，由于合金基体与氧化膜的热膨胀系数不同而产生的(热匹配问题)(H.E.Evans，Cracking and spalling of protective oxide scales，MaterialsScience and Eng，A 120(1989)139-146.)。而陶瓷涂层的应力主要来源于热应力(热匹配问题)。因此，合金涂层高温生成的氧化膜和沉积的陶瓷涂层与合金基体的热匹配差所导致的开裂与剥落已经成为提高合金抗高温氧化性能的关键问题。

上述关键问题受到国内外研究者的高度重视，在大量研究工作的基础上，相继提出了各种理论模型，其中以Evans和Schütze等人(M.Schütze，M.Malessa，D.Renusch，P.F.Yortorelli，I.G.Wright，and R.B.Dooley，Mechanical Properties and Adherence of OxideScales，Materials Science Forum，522-523(2006)393-400.)提出的模型最具代表性。需要强调的是，Evans和Schütze的模型都是建立在传统材料力学的基础之上，即这些模型都是以单相均质材料的力学行为为基础的。

为了解决这一问题，发展了各种新型涂层技术。例如，加入稀土元素的MCrAlY合金涂层，通过稀土效应改变氧化膜的生长机制，提高氧化铝膜与MCrAlY合金涂层的结合力，但这种技术对氧化铝膜与MCrAlY合金涂层结合力的提高仍然是有限的。在陶瓷涂层方面，发展了陶瓷叠层涂层，如Al₂O₃/ZrO₂微叠层涂层可以显著提高陶瓷涂层的抗剥落性能。

2)有关合金防氚渗透、抗氢损伤的背景技术

由于氚和氢原子的半径极小，极易向金属材料内部渗透和扩散，造成氚的泄漏和材料的氢损伤(包括氢脆、氢腐蚀、氢鼓包等)，已经成为发展核聚变工程、储氢装置、各种与氢有关工程结构材料的关键问题。大量的研究表明在材料表面施加低氚渗透和氢扩散能力的涂层，是降低氚渗透和氢扩散的有效途径。防氚渗透、抗氢损伤的涂层还应具备特定的其它性能，如在特定环境的化学稳定性，与合金基体有一定的结合力，良好的抗开裂和抗剥落能力，否则将导致涂层丧失防氚渗透、抗氢损伤的功能。因此，防氚渗透、抗氢损伤的涂层与抗高温氧化涂层有着共性的力学问题。