单相铂铝涂层作为一种改性铝化物涂层,具有比传统铝化物涂层更为优异的抗氧化性能、抗热腐蚀性能和力学性能,作为热障涂层的粘结层,被广泛用于航空发动机涡轮叶片或其他热端部件上。常见的铂铝涂层制备工艺包括首先在高温合金上预电镀铂层(3-8μm)和后续渗铝处理。但是,普通单相铂铝涂层(主要为β-(Ni,Pt)Al)在循环氧化过程中易发生相变而引起体积变化,并伴有热膨胀系数不匹配导致的热应力产生,导致其表面氧化膜易发生褶皱且起伏程度较大,最终氧化膜开裂和剥落。本论文通过在镀铂过程中添加Zr微粒,并采用普通铂铝涂层相同渗铝工艺制备一种Zr改性的单相铂铝涂层,以稀有元素Zr的添加来改善单相(Ni,Pt)Al涂层的抗循环氧化和抗热腐蚀性能,延长铂铝涂层的使用寿命。本文通过复合电镀工艺制备了 Zr改性铂铝涂层,对比研究了普通渗铝涂层,普通铂铝涂层和Zr改性铂铝涂层的循环氧化行为和热腐蚀行为,并讨论了 Pt和Zr对涂层循环氧化和抗热腐蚀行为的影响。主要获得如下主要结论:(1)将粒径为0.1 μm-10μm的Zr粉加入到镀铂液中配成悬浮液,把表面处理好的N5基体放入电镀液中进行复合电镀,然后真空扩散退火,最后进行气相渗铝得到Zr改性的铂铝涂层。涂层由两层组成,外层为β相,Zr固溶在β相里面,含量大约为1%(原子百分比),内层是互扩散区(IDZ)。(2)将普通渗铝涂层,普通铂铝涂层和Zr改性的铂铝涂层在空气中进行1100℃循环氧化测试,结果表明,普通渗铝涂层氧化膜生长得最快,200次循环后就出现NiAl204尖晶石相,在350次循环后氧化膜就发生开裂和剥落;普通铂铝涂层氧化膜生长较慢,在400次循环后出现第一次减重直到800次才开始失稳减重。800次循环后,普通铂铝涂层表面发现有NiAl204尖晶石相生成,氧化膜与涂层之间出现裂纹。Pt的添加降低了氧化膜生长速率,提高了氧化膜的粘附性。(3)Zr改性的铂铝涂层表现出最好的抗循环氧化性能:800次循环过程中样品没有发生明显减重,XRD结果中没有发现尖晶石相生成。氧化膜与涂层之间没有发生开裂和剥落,表面氧化膜褶皱程度较小。这可能是因为Zr元素在晶界中偏聚,起到了“堵塞效应”,阻碍了 Al的向外扩散,降低了氧化膜的生长速率,同时Zr元素在氧化膜/涂层界面处偏聚抑制了界面处空洞的形成,提高了氧化膜的粘附性。Zr改善表面氧化膜褶皱的具体作用机制将会进一步研究。(4)将上述三种样品在850 ℃ Na2SO4/NaCl(75:25,w/w)混合盐中进行热腐蚀试验,结果表明:普通渗铝涂层腐蚀得最快,80h就开始失稳减重,发生了严重的内氧化和内硫化;普通铂铝涂层抗热腐蚀性能较好,200h样品没有发生减重,内氧化内硫化程度较轻,这可能是由于Pt的存在有利于促进α-Al2O3的生成,在热腐蚀初期促进氧化膜快速形成,从而阻碍腐蚀性盐膜的直接入侵,降低了内氧化和内硫化发生概率。同时Pt富集在氧化膜/涂层界面处,有利于抑制空洞的形成,提高氧化膜的粘附性。(5)Zr改性的铂铝涂层抗热腐蚀性能最好,表面氧化膜生长速率最慢,内氧化和内硫化程度最轻。Zr对涂层抗热腐蚀性能的有益作用类似于对涂层循环氧化性能的影响。可能的机制是:较大离子半径的Zr离子在氧化膜晶界处偏聚,造成“堵塞效应”,阻碍了 Al和Cr离子的向外扩散,导致氧化膜的生长速率进一步降低,同时Zr偏聚于氧化膜/涂层界面处,可以抑制界面处空洞的形成,提高了氧化膜的粘附性。Zr对热腐蚀的作用机制也将会进一步研究。