中科院金属所：Pt改性与预氧化处理提升涂层海洋环境抗腐蚀性能

中科院金属所：Pt改性与预氧化处理提升涂层海洋环境抗腐蚀性能

在海洋环境中，涡轮发动机的热端部件极易遭受高温腐蚀，严重影响发动机的使用寿命。中国科学院金属研究所鲍泽斌课题组通过将Pt改性与预氧化处理两种策略相结合，应用于超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备的高温防护NiCoCrAlY涂层，显著提高了涂层在海洋环境中的抗高温腐蚀性能。

研究背景

涡轮发动机的热端部件通常在恶劣的环境下长期服役，尤其是在海洋性服役环境中（海洋大气中存在大量NaCl颗粒和水蒸气）。涡轮发动机中较高的工作温度与含有NaCl和水蒸气的侵蚀性环境相结合，使得热端部件遭受严重的高温腐蚀，从而导致发动机的使用寿命大大缩短。

MCrAlY（M = Ni 和/或 Co）涂层因在高温侵蚀性环境中的优异表现，已作为高温防护涂层或热障涂层体系（TBC）中的粘结层（BC），用以保护热端部件免遭高温腐蚀。事实上，涂层的抗高温腐蚀性能取决于表面形成的氧化膜特性，通常连续、单一、粘附、热力学和化学性质稳定的Al2O3膜是最佳选择。但是，由于MCrAlY涂层中的Al含量相对较低，在高温氧化或腐蚀的过程中，生长的氧化膜中包含Al2O3和非保护性氧化杂质，这会对涂层的性能造成不利影响。因此，寻求简单、高效和经济的方式提高涂层的表面氧化膜生成能力和特性，是提升热端部件耐高温腐蚀性能的有效手段。

腐蚀测试方法

研究团队采用了一种模拟海洋环境中服役条件的腐蚀测试方法。具体步骤如下：

图1 盐雾热暴露腐蚀设备的结构示意图

每一个腐蚀周期包括：将试样放置在盐雾箱（3.5 wt.% NaCl溶液，温度35 °C）中进行22 h盐雾试验；然后将其迅速移入1000 °C马弗炉中进行2 h的高温腐蚀测试。采用该模式，模拟船舶发动机在海洋环境中需经历反复的驻留和巡航。

三种涂层的盐雾热暴露腐蚀行为

研究团队制备了三种不同处理方式的涂层：未处理的NiCoCrAlY涂层（记为N-NiCoCrAlY）、Pt改性处理的涂层（记为P-NiCoCrAlY）以及同时经过Pt改性和预氧化处理的涂层（记为PP-NiCoCrAlY）。通过对比分析，研究团队发现：

图2 盐雾热暴露腐蚀过程中的氧化膜厚度变化曲线（a）和氧化膜厚度的平方与循环次数的拟合曲线（b）

PP-NiCoCrAlY涂层上的氧化膜最薄，且生长速率最为缓慢，其次为P-NiCoCrAlY涂层，说明了Pt改性和预氧化处理可降低涂层的腐蚀速率。

图3 NiCoCrAlY（a，d）涂层腐蚀33个周期、P-NiCoCrAlY（b，e）和PP-NiCoCrAlY（c，f）涂层腐蚀50个周期后的表面和截面形貌

PP-NiCoCrAlY涂层经过长期腐蚀后，表面氧化膜仍保持薄且完整连续的状态，涂层内未发生腐蚀以及退化行为，说明了Pt改性和预氧化处理可以提高涂层的高温腐蚀性能。

Pt改性及预氧化处理的作用

研究团队通过理论计算和实验分析，揭示了Pt改性和预氧化处理的作用机制：

图4 Cl在β-NiAl相（a）、γ-(Ni,Cr,Al)相（b）、PtAl2相（c）和掺Pt的γ-(Ni,Cr,Al)相(110)表面的吸附能分布情况

Cl在Pt周围的吸附作用较弱，吸附的稳定性较差，说明Pt会阻碍Cl的吸附，从而阻碍涂层中的金属元素发生氯化反应，进而减缓涂层的氧化/腐蚀速率，提高涂层的耐腐蚀性能。

图5 （a）12 ps后掺Cl的α-Al2O3的稳定结构示意图；（b）（a）中标注的O、Cl和Al原子的平均扩散系数；（c）2 ps和12 ps时，掺Cl α-Al2O3在[0001]晶向的原子间键强

预氧化处理形成的完整连续的α-Al2O3膜在含氯环境具有较高的稳定性，可作为阻挡层，有效保护涂层遭受侵蚀性环境的影响。

Pt改性和预氧化处理工艺的协同作用提高了涂层表面氧化铝膜的稳定性，降低了涂层的腐蚀敏感性，使得涂层腐蚀和氧化速率缓慢，拥有更长使用寿命潜力。

总结与展望

本研究评估了三种涂层（NiCoCrAlY，P-NiCoCrAlY和PP-NiCoCrAlY）的抗高温氧化和抗高温腐蚀性能，验证Pt改性和预氧化处理可对涂层性能提升提供有效贡献，为开发和设计面向于近海领域的高温防护涂层提供新思路及理论参考。研究团队下一步将探究高速、高温及高腐蚀耦合因素对涂层服役行为的影响，并进一步提高涂层的稳定性和使用寿命。

本文原文来自Journal of Materials Science & Technology，2024年2月发表，DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.079。