海洋环境下MAX相材料高温热腐蚀机理研究

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海洋环境下MAX相材料高温热腐蚀机理研究

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中文摘要：随着海洋事业的发展，航空发动机以及燃气轮机的服役环境逐渐由内陆扩大至海洋。航空发动机以及燃气轮机的压气机叶片因长期服役于高温、高盐、高湿的海洋环境中，极易受到严重腐蚀，大大缩短了其使用寿命。因此，开发耐高温腐蚀的新型高温结构材料已刻不容缓。MAX相材料作为一种新型的材料，因具有独特的纳米层状结构，以及原子间的结合键中同时含有离子键、共价键和金属键，兼具陶瓷材料和金属材料两者的优点，如：高强度、高硬度、耐腐蚀、良好的抗氧化性能、抗热震性能以及较好的导电和导热性能等。由于以上优势特性，MAX相材料在高温结构件中具有广阔的应用前景。本文将三种MAX相材料Ti3SiC2、Ti2AlC和Cr2AlC和NiCrAlY（传统压气机叶片防护涂层材料）进行了168小时的高温氧化和240小时的高温热盐腐蚀实验。研究了MAX相材料的氧化产物和腐蚀产物的微观结构和相组成，分析了MAX相材料的高温氧化机理和高温热盐腐蚀机理。主要研究结果如下：首先研究了Ti3SiC2、Ti2AlC、Cr2AlC和NiCrAlY在750℃下的高温氧化和高温热盐腐蚀行为。在高温氧化实验中，发现Ti3SiC2和Ti2AlC的氧化增重呈线性规律持续增加，表明其抗氧化性能相对较差。具体来看，Ti3SiC2的氧化层是由TiO2和SiO2混合组成；多孔的TiO2对氧气的阻碍作用有限，使材料更易受到氧化。而Ti2AlC在氧化初期虽形成了Al2O3，但经透射分析后，发现生成的Al2O3层并不致密，且在氧化后期生成了大量的TiO2。因此，Ti2AlC在750℃生成的氧化层对氧气的阻碍作用也十分有限。与此相反，Cr2AlC在氧化初期就形成了致密的α-Al2O3层，阻挡了氧气的进入。且24小时后Cr2AlC的氧化增重速度减缓。综合以上实验结果，Cr2AlC具有优异的抗氧化性能。在高温热盐腐蚀实验中，Ti3SiC2和Ti2AlC的腐蚀产物TiO2与腐蚀介质NaCl发生反应，生成Na2TiO3，腐蚀增重持续增长。而Cr2AlC和NiCrAlY样品中的Cr元素易于与NaCl发生反应而生成挥发性的Na2CrO4，破坏氧化皮的完整性，导致Cr2AlC和NiCrAlY在腐蚀过程中出现不同程度的失重。所以，Ti3SiC2和Ti2AlC在NaCl存在的条件下，表现出的耐高温腐蚀性能相对较好。综合对比MAX相和NiCrAlY的抗氧化性能和耐高温腐蚀性能，得出MAX相的抗氧化性能劣于NiCrAlY，而MAX相的耐高温腐蚀性能比NiCrAlY优异。其次，本研究还对Ti3SiC2、Ti3SiC2(Al)和Cr2AlC样品进行预氧化处理，研究了预氧化对Ti3SiC2、Ti3SiC2(Al)和Cr2AlC样品的高温氧化和高温热盐热腐蚀性能的影响。预氧化的Ti3SiC2在高温氧化过程中，氧化增重呈线性增长，并且168小时后与未预氧化的Ti3SiC2的氧化增重相差不大，即预氧化对Ti3SiC2的抗氧化性能的影响不大。究其原因，可能为预氧化形成的疏松的TiO2层并不能有效阻隔氧气。然而，预氧化后的Ti3SiC2的腐蚀增重高于未预氧化的Ti3SiC2，即预氧化降低了Ti3SiC2的耐高温腐蚀性能。其原因可能为预氧化时生成的TiO2和SiO2在与腐蚀介质NaCl接触时更容易形成Na2TiO3和Na2SiO4。但是，含Al-MAX通过预氧化处理之后抗氧化和耐高温腐蚀性能均得以提高。因为预氧化使Ti3SiC2(Al)和Cr2AlC表面形成致密的α-Al2O3层，有效阻隔了氧气和腐蚀介质。

作者：

李晓静

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关键词：

高温氧化高温腐蚀腐蚀机理海洋环境 MAX相材料

授予学位：

硕士

学科专业：

材料工程

导师：

王顺花、蒲吉斌

学位年度：

2022

学位授予单位：

兰州交通大学

语种：

中文

中图分类号：

TG