热机用金属材料高温氧化与防护

热机作为能源转换和产生推力的关键设备，提高其能源的转换率是目前研究热点之一。在优化热机结构的基础上和保证热机使用寿命的前提下，应用新材料提高运行温度成为行之有效的方法。在此背景下，高温合金及热障涂层系统得到广泛的研发和应用。本书主要从高温合金、热障涂层中的合金粘结层以及热生长层氧化铝角度讨论合金/涂层氧化机理和失效模式，同时研究各种稀贵元素对合金涂层抗氧化性能的影响，为探索和研制高温材料提供一定的参考方向。本书可供高温腐蚀与防护专业的研究生和从事相关研究领域的工作者参考。

第1章 热机用高温材料概述 1
1.1 热障涂层系统 4
1.2 热障涂层的陶瓷层 4
1.3 热障涂层的粘结层 6
1.3.1 MCrAlY涂层 6
1.3.2 扩散性铝化物涂层 9
1.4 高温合金 11
1.4.1 合金中的活性元素 12
1.4.2 活性元素的分布 12
1.4.3 活性元素对氧化层生长速率的影响 13
1.4.4 活性元素对氧化层粘结性的影响 14
参考文献 14
第2章 腐蚀与防护的热力学基础 17
2.1 引言 17
2.2 氧化的热力学条件 18
2.3 标准生成自由能-温度图 19
2.4 氧化动力学 22
2.4.1 氧化初期 22
2.4.2 扩散控制的氧化层生长 23
2.4.3 重量变化和氧化物厚度 25
2.4.4 常见金属氧化率的差异 26
2.5 合金的氧化 28
2.5.1 内氧化和外氧化 28
2.5.2 保护性氧化层的形成 29
2.5.3 合金长期使用的氧化参数 31
2.5.4 合金和涂层表面形成Al2O3型保护层 32
2.5.5 合金表面保护层的生长与失效 35
参考文献 37
第3章 ODS型FeCrAl合金的氧化行为 39
3.1 ODS型FeCrAl合金的制备 39
3.2 实验样品制备 40
3.3 Ti对ODS型FeCrAl合金氧化行为的影响 41
3.3.1 氧化动力学分析 41
3.3.2 表层氧化铝的微观结构 41
3.3.3 氧化示踪实验结果 47
3.3.4 Ti对活性元素Y分布的影响 49
3.4 ODS型FeCrAl合金在Ar-20%O2中的氧化行为 50
3.4.1 Y含量对合金氧化动力学的影响 50
3.4.2 Y含量对合金表面成分分布的影响 51
3.4.3 Y含量对表面氧化铝微观组织的影响 53
3.4.4 合金在Ar-18O2中的氧化示踪实验 59
3.4.5 氧化铝晶界上Y和Ti的分布 60
3.5 ODS型FeCrAl合金在Ar-4%H2-7%H2O中的氧化行为 61
3.5.1 合金的氧化动力学 61
3.5.2 活性元素Y对合金表层成分分布的影响 63
3.5.3 Y含量对合金氧化铝微观形貌的影响 64
3.5.4 含水/氢气气氛对氧化铝晶界上Y和Ti的分布的影响 68
3.6 ODS型FeCrAl合金在Ar-1%CO-1%CO2中的氧化行为 68
3.6.1 含碳气氛中的合金氧化动力学 68
3.6.2 含碳气氛中的合金表层成分分布 70
3.6.3 含碳气氛中的合金表面氧化铝微观结构 71
3.6.4 18O示踪实验分析 76
3.6.5 含碳气氛对氧化铝晶界上Y和Ti的分布的影响 78
3.7 Ti对合金表面氧化铝生长机制的影响 80
3.8 氧化钇含量对合金氧化铝层生长机制的影响 84
3.8.1 活性元素Y在氧化铝晶界上的作用 85
3.8.2 氧化气氛的成分对合金氧化铝生长机制的影响 88
3.9 本章小结 89
参考文献 89
第4章 铝硅高温防护涂层 93
4.1 高温干燥空气下铝硅涂层的氧化 94
4.1.1 实验内容 95
4.1.2 氧化动力学测试 96
4.1.3 金相样品的制备 96
4.1.4 高温干燥空气下铝硅涂层氧化动力学分析 96
4.2 高温干燥空气下铝硅涂层微观形貌 98
4.2.1 热浸镀涂层样品的表面微观形貌 99
4.2.2 热浸镀涂层样品的截面微观形貌 101
4.2.3 结果讨论 103
4.3 高温水蒸气下铝硅涂层的氧化 107
4.3.1 样品的制备 107
4.3.2 氧化动力学测试 108
4.3.3 高温水蒸气下铝硅涂层的氧化动力学分析 108
4.3.4 高温水蒸气下铝硅涂层微观形貌分析 110
4.4 结果讨论 114
4.5 本章小结 120
参考文献 121
第5章 温度对铂改性铝化物涂层氧化的影响 123
5.1 材料与制备 123
5.2 实验 126
5.2.1 等温与非连续等温氧化 126
5.2.2 循环氧化 126
5.3 分析和测试方法 127
5.4 原始铂铝粘结层 127
5.4.1 900℃热障涂层的氧化 128
5.4.2 1000℃热障涂层的氧化 130
5.4.3 1100℃热障涂层的氧化 132
5.4.4 低活度铂铝粘结层的氧化 133
5.4.5 高活度铂铝粘结层的氧化 136
5.4.6 1150℃热障涂层的氧化 141
5.4.7 铂铝粘结层的热生长层微观结构比较 142
5.4.8 温度对铂改性铝化物粘结层氧化的影响 146
5.5 本章小结 149
参考文献 150
第6章 表面处理对粘结层的高温氧化影响 152
6.1 铂铝粘结层氧化后的结构特征 152
6.1.1 原始样品 152
6.1.2 喷砂处理对氧化铝表面形态的影响 156
6.1.3 抛光处理对铂铝粘结层氧化的影响 160
6.1.4 YSZ陶瓷层对TGO生长的影响 167
6.1.5 氧化铝厚度与时间的函数关系 170
6.1.6 小结 174
6.2 热生长层起伏机制 175
6.2.1 非连续等温氧化 175
6.2.2 1100℃循环氧化 178
6.2.3 1100℃等温氧化 180
6.2.4 1150℃循环氧化 182
6.2.5 TGO起伏的RMS比较 183
6.2.6 TGO起伏的L/L0比较 185
6.2.7 TGO起伏的W比较 188
6.2.8 小结 190
6.3 热生长层内应力变化机制 190
6.3.1 非连续等温氧化与循环氧化的内应力 191
6.3.2 时效对内应力的影响 196
6.3.3 表面抛光对内应力的影响 197
6.3.4 温度对内应力的影响 198
6.3.5 氧化铝失效的力学解释 200
6.3.6 小结 202
6.4 活性元素对粘结涂层的高温氧化影响 202
6.4.1 添加活性元素的合金样品成分 203
6.4.2 活性元素合金氧化动力学 204
6.4.3 活性元素合金高温氧化的断面结构 205
6.4.4 NiPtAl(Hf)合金高温氧化的断面结构 207
6.5 本章小结 208
参考文献 210
第7章 ODS型MCrAlY合金涂层的氧化行为 212
7.1 氧化气氛对ODS型CoNiCrAlY合金涂层氧化行为的影响 212
7.1.1 涂层在Ar-20%O2中的氧化行为 212
7.1.2 涂层在Ar-4%H2-2%H2O中的氧化行为 216
7.2 不同弥散强化相对ODS型CoNiCrAlY合金涂层氧化行为的影响 220
7.2.1 厚度为2mm的涂层的氧化行为 220
7.2.2 厚度为0.6mm的涂层的氧化行为 227
7.3 ODS型CoNiCrAlY合金涂层氧化机制研究 229
7.3.1 氧化铝弥散强化相对合金涂层氧化速率的影响 229
7.3.2 模拟计算CoNiCrAlY粘结层氧化铝层的生长 231
7.3.3 弥散强化相及含量对CoNiCrAlY粘结层氧化机制的影响 236
7.4 本章小结 240
参考文献 241
附录A 晶粒宽度计算 242