摘要：根据有关部门的调查数据显示，腐蚀造成的损失每年可以达到7000亿美元，不仅是经济上的损失，腐蚀还会导致灾难性的事故。基于此，本文针对熔盐热腐蚀对纳米热障涂层性能影响进行分析，文章利用试验对比分析Hastelloy X结合NiCrAl涂层在熔盐热腐蚀条件下的具体抵抗能力，以供航天工作人员参考。
关键词：熔盐热腐蚀；纳米热障；热障涂层；涂层性能
引言
在航空航天技术中，对高温合金制造工艺的需求不断提高，热障涂层技术在高温燃烧系统中的重要性也逐渐凸现出来。现如今，四代涡轮发动机的工作温度已经高达1500℃，在合金表面上制备热障涂层来提高部件的使用温度，可以有效阻止腐蚀，因此加强对纳米热障涂层性能的分析，具有十分重要的现实意义。
一、试验准备阶段
（一）涂层材料
本文主要分析的是熔盐热腐蚀对纳米热障涂层性能影响，因此可知纳米涂层是核心内容，在试验准备阶段，先要准备好具体的制备材料。NiCrAl涂层的底层材料为Ni-21Cr-7Al-0.4Y粉末，面层材料为纳米氧化锆粉末，结合粉末粒度选择喷涂设备，底层材料采用JET-KOTE Ⅲ超音速火焰喷涂设备，面层则采Multicoat等离子火焰喷涂设备。
（二）试样制备
1.涂层试样制备
现如今，航空发动机的涡轮进口温度远远超出高温合金的承受范围，制备热障涂层是目前最为常见的一种手法，但是不同热障涂层支架的的西能也存在一定的区别，比如：陶瓷涂层具有耐腐蚀、耐高温、抗疲劳性能。本文主要针对纳米涂层性能进行分析，因此利用准备好的涂层材料，制备了NiCrAl涂层。
NiCrAl涂层的尺寸为：40mm×20mm×3mm，底层厚度为0.05mm-1mm，面层厚度为0.2mm-0.3mm，采用的制备工艺为六面全部包覆的方法。
2.熔盐腐蚀试样制备
在完成涂层制备后，还要对熔盐腐蚀试样进行制备，采用涂盐氧化法进行试验，第一步，要将试样预热到80℃；第二步，要在试样陶瓷涂层表面刷涂定量配置的75%Na2SO4-25%NaCl饱和水溶液；第三步，烘干涂层表面熔盐中的水分；第四步，不断重复第二步和第三步，直到涂层表面的熔盐量达到2-3mg/cm2。然后就可以按照氧化试验的流程进行，完成试验。
（三）实验过程
在完成试样制备换届后，将试样放入到炉内，每隔10h取出缓冷到室温，然后在废水中洗去残留盐，烘干称重，最终就会得到熔盐热腐蚀动力学数据和相应的数据曲线，除此之外，试验设定的热腐蚀温度为750℃-900℃，需要采用到高分辨率扫描电镜观察涂层显微形貌。
二、试验开展阶段
（一）Hastelloy X 热腐蚀性能研究
Hastelloy X是目前应用最为广泛的耐高温合金，可以有效改善腐蚀性能，降低合金氧化速度，同时作为航空发动机高温部件常用材料，会对航空发动机系统的安全性和使用寿命产生影响。根据分辨率扫描电镜观察涂层显微形貌来看，Hastelloy X表面存在打磨的划痕以及空洞，将处理后的试样放进温度为750℃的熔盐中，在没有保护层的状态下，5分钟内就出现了大量的腐蚀产物，经过20分钟后，试样表面已经完全被覆盖，腐蚀产物起到了一定的保护作用，但是因为腐蚀产物并没有完全覆盖，导致热腐蚀依然在继续发生。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆40分钟后，腐蚀产物厚度增加，结构紧密，形成保护层，但腐蚀产物生成速度过快，结构并不稳定，保护层稳定性下降。由此可知，在Hastelloy X在热腐蚀过程中会形成一定厚度的氧化物保护层，从而有效延缓熔盐的腐蚀速度。但是表面氧化物很快就会被破坏，热腐蚀速度会进一步加快。通过对开路电位、循环伏安曲线、Tafel曲线这三个方面的分析，最终发现Hastelloy X经过氧化保护后，热腐蚀速度明显降低，而在经过氧化处理后，再次进行热腐蚀试验，可以形成完成的氧化物保护膜，有效阻止熔盐扩散。
（二）NiCrAl涂层热腐蚀性能研究
NiCrAl涂层作为一种金属层应用在Hastelloy X表面上，可以有效降低热腐蚀速度，通过高分辨率扫描电镜观察涂层显微形貌情况来看，涂层结构致密，没有裂纹和孔洞，可以有效阻止熔盐渗透，保护Hastelloy X。试验过程也证明经过氧化处理后，将其放在750℃的熔盐中，经过20h产生了大量的细条状晶体，堆积结构不致密，原本的氧化保护膜则变得较为疏松，Cr原子和Al 原子的晶间会逐渐扩散，且NiCrAl涂层表面NiO层会被破坏。这是因为金属原子在向外迁移的过程中，会形成大量的缺陷，缺陷聚集造就孔洞，涂层表面的孔洞会在腐蚀介质下出现塌陷现象，继而导致涂层被破坏[1]。
三、试验总结阶段
（一）Hastelloy X热腐蚀性能分析
在快速热腐蚀试验条件下，Hastelloy X表面会生产腐蚀氧化物，但是这种氧化物保护膜因为结构不完整，因此导致热腐蚀进一步生产氧化物和硫化物，最终加速腐蚀，但是经过氧化保护后Hastelloy X的热腐蚀速度明显降低。一旦腐蚀氧化物形成的保护失效，热腐蚀就会进入快速阶段，根据实际实验效果来看，熔盐热腐蚀性能主要分为三个阶段，分别为：氧化物保护膜形成阶段、保护膜破坏阶段、热腐蚀加速进行阶段。由此对处理后的氧化物进行热腐蚀试验，试样表面形成了结构稳定的氧化物保护膜，有效阻隔了熔盐热腐蚀扩散，起到了良好的保护作用。根据氧化动力学、熔盐电化学分析，经过氧化保护处理后的Hastelloy X热腐蚀速度明显降低。
（二）NiCrAl涂层热腐蚀性能分析
根据实际情况来看，对NiCrAl涂层进行氧化处理后，涂层表面会生成金属氧化物，这种氧化物在热腐蚀过程中，可以有效阻止熔盐扩散，降低腐蚀速度。但是在熔盐中涂层表面的金属氧化物保护层会被溶解，保护层逐渐疏松，生成的Na2CrO4、NaCrO4、NaAlO2会变成结晶，继而影响到氧化物保护膜结构完整性，还会对涂层稳定结构造成负面影响。总的来看，热障涂层在900℃的熔盐热腐蚀条件下，经历70小时后，最终产生了严重的热腐蚀，除了被完全热腐蚀后，白面陶瓷层和高温合金也受到了不同程度的腐蚀，经过实际试验来看，熔融硫酸盐对氧化物有着溶解作用。且在30小时前，涂层试样基本完好，但是相对稳定性受到一定的打击，30销售，熔盐加速扩散，涂层和基体都出现线性快速腐蚀趋势，一旦扩散到陶瓷涂层就可以快速腐蚀高温和经济体，最终导致陶瓷层被剥离、涂层失效。结果表明：在Hastelloy X结合NiCrAl涂层后，热腐蚀速度明显降低，起到了一定的保护作用，30小时成为临界点，30小时后层、热生长氧化物层以及基体等均受到不同程度的热腐蚀影响。这也就意味着，航空航天的有关人员要定期更换涂层，以此避免涂层失效，对合金产生负面影响，保证有关设备的稳定运行。比如：涡轮导向叶片就是最为关键的零部件之一，因此要定期更换高翔叶片，以此保证陶瓷涂层始终具备耐腐蚀、耐高温、抗疲劳性能[2]。
总结
综上所述，在熔盐热腐蚀试验条件下，Hastelloy X表面生成的保护膜结构被破坏，无法有效阻隔熔盐扩散。反观NiCrAl涂层，在热腐蚀过程中，表面氧化物保护层可以有效阻止熔盐扩散，但是在熔盐浓度达到一定数值后，涂层稳定结构就会被破坏，对金属造成实质性影响，因此可以在航空发动机中应用。
参考文献
[1]朱红梅,李柏春,朱锦云,等.熔盐堆用镍基合金在熔融氟盐中的腐蚀研究进展[J].材料导报,2019,33(11):1813-1820.
[2]常羽彤,王建,朱石刚等.熔盐热腐蚀对纳米热障涂层性能影响分析[J].热喷涂技术,2017,9(01):24-28.
论文作者:胡杰伟,唐于杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
标签：涂层论文; 热障论文; 氧化物论文; 试样论文; 性能论文; 表面论文; 合金论文; 《基层建设》2019年第17期论文;