《Journal of Alloys and Compounds》：Hot corrosion behavior of aluminide coating on K6509 superalloy in various mixed salt environments
编辑推荐：
气相铝化物涂层在K6509合金上的高温腐蚀行为研究表明，涂层在Na?SO?+NaCl和Na?SO?+NaCl+NaVO?盐环境中腐蚀严重，而在Na?SO?+NaVO?环境中因形成致密氧化层表现出优异耐腐蚀性，NaCl存在显著降低涂层寿命。
作者：谢成、马国、周旭贤、金圆圆、李一迪、李云平
中南大学粉末冶金国家重点实验室，中国长沙410083
摘要
本文系统研究了K6509钴基超合金在900℃下，三种混合盐环境中蒸气相铝化物涂层的热腐蚀行为。结果表明，在Na?SO? + NaCl和Na?SO? + NaCl + NaVO?条件下，涂层出现了严重的腐蚀现象；而在Na?SO? + NaVO?条件下，涂层表现出优异的热腐蚀抗性，并形成了致密且附着力强的氧化层。NaCl的存在导致氧化层退化，显著降低了涂层的服役寿命。这些发现表明，氧化层的形成、致密化和附着力是决定K6509钴基超合金上蒸气相铝化物涂层热腐蚀抗性的关键因素。
引言
叶片是飞机发动机中最关键的部件之一，直接影响发动机的效率和可靠性[1][2][3]。它们在极端的热和机械条件下工作，通常由高性能的钴（Co）基超合金制成[4][5]。尽管钴基超合金具有优异的性能，但在使用过程中仍容易受到高温降解和腐蚀的影响，尤其是在海洋环境中。为了减轻这种降解，通常会在叶片表面涂覆高温防护涂层[6][7]。其中，铝化物涂层因其能够增强抗氧化和抗腐蚀性能而被广泛使用。
铝化物涂层是通过铝原子在高温下扩散到基材表面并与合金元素反应生成金属间化合物（IMCs）而形成的[8]。在钴基超合金上进行铝化处理时，可能会形成CoAl、NiAl、FeAl等金属间化合物。铝化物涂层的制备方法有多种，包括包渗[9]、浆料渗铝[10]和蒸气相铝化[11]。由于蒸气相铝化具有高效性、适用于复杂几何形状的部件以及能够避免堵塞叶片中的冷却孔和狭窄通道等优点，因此在航空航天工业中被广泛应用[12]。这也是本研究采用蒸气相铝化方法制备铝化物涂层的原因。根据铝化温度和铝的活性，铝化工艺可以分为低温高活性（LTHA）铝化和高温低活性（HTLA）铝化[13]。蒸气相铝化形成的涂层通常具有双层结构：外层和扩散层[14]。在熔盐热腐蚀条件下，由于这种双层结构的存在，涂层可能表现出不同的腐蚀过程和机制，因此需要对其进行系统研究[15]。
熔盐热腐蚀是高温腐蚀中最具侵蚀性的形式之一，在叶片的使用环境中不可避免。其腐蚀速度通常比高温氧化更快，对涂层和基体合金的结构完整性构成严重威胁[16]。在实际使用中，常见的腐蚀性盐类如NaCl、Na?SO?和NaVO?会单独或以混合盐的形式沉积在叶片表面。这些盐类来源于燃料燃烧的副产物和环境影响，它们相互作用会形成高度腐蚀性的化合物。具体来说，NaCl主要来源于海水产生的盐雾；Na?SO?则是由NaCl与燃料燃烧产生的二氧化硫反应生成的[17][18]。此外，某些含钒的低品位燃料在燃烧过程中会产生V?O?，后者会进一步与Na?SO?反应生成NaVO?[19]。这些盐类具有较低的熔点，在高温下具有较高的流动性和反应性，从而加速了叶片的热腐蚀[20]。
尽管有一些关于CoAl涂层在熔盐中热腐蚀行为的研究，但这些研究仅限于单一或二元盐环境。例如，Qi[21]和Chen[22]等人研究了元素改性的CoAl涂层在900℃下暴露于75% Na?SO?和75% NaCl熔盐中的热腐蚀行为；Fan[23]等人研究了CoAl涂层在Na?SO?/K?SO?和Na?SO?/NaCl熔盐中的热腐蚀行为。目前尚无关于二元和三元混合盐环境对K6509钴基超合金上铝化物涂层热腐蚀行为影响的研究。为了填补这一空白，本研究在三种混合盐条件下（75% Na?SO?+25% NaCl、75% Na?SO?+25% NaVO?、75% Na?SO?+12.5% NaCl+12.5% NaVO?）研究了该涂层在900℃下的热腐蚀机制。研究结果旨在为钴基超合金高性能铝化物涂层的发展提供理论依据。
实验方法
本研究使用的材料是北京航空航天材料研究所开发的钴基超合金K6509（铸造合金），其实际化学组成为53.9Co-24.7Cr-9.9Ni-6.5W-3.5Ta-0.7C-0.2Ti-0.4Zr-0.2Si（重量百分比），通过电感耦合等离子体光发射光谱仪（ICP-OES）确定。K6509合金锭被切割成15mm×10mm×4mm的样品。在样品表面钻了一个直径为2.5mm的圆孔...
涂层的初始微观结构
图2展示了K6509钴基超合金的初始微观结构SEM图像。显微照片显示基体中分布着大量的碳化物，这些碳化物主要分为两种类型：富Ta碳化物和富Cr碳化物，可根据其化学成分进行区分[25][26]。
涂层的表面形态和相组成通过SEM和XRD获得，如图3所示。涂层表面呈现出相对粗糙的特征...
讨论
上述结果表明，K6509钴基超合金涂层样品在三种不同混合盐（900℃）中的腐蚀速率、腐蚀产物以及宏观和微观形态存在显著差异。接下来的讨论将重点分析涂层样品在每种混合盐环境中的热腐蚀行为。由于Na?SO?、NaCl和NaVO?的熔点均低于900℃的热腐蚀温度，涂层样品经历了I型腐蚀...
结论
本研究研究了K6509钴基超合金在三种混合盐（Na?SO? + NaCl、Na?SO? + NaVO?、Na?SO? + NaCl + NaVO?）中的蒸气相铝化物涂层的热腐蚀行为。主要结论如下：
- 涂层在Na?SO? + NaCl条件下的腐蚀最为严重，其次是Na?SO? + NaCl + NaVO?；而在Na?SO? + NaVO?条件下，由于形成了致密且附着力强的氧化层，涂层的腐蚀抗性最佳。
- 对质量增量的分析...
作者贡献声明
谢成：撰写初稿、方法学设计、实验研究。
马国：撰写初稿、方法学设计、实验研究。
周旭贤：方法学设计、实验研究。
金圆圆：方法学设计、实验研究。
李一迪：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计。
李云平：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了湖南省“开放竞争引领”项目的资助。
