【摘 要】
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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
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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Cr2Al C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Ti3Si C2和Ti2Al C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,Ti3Si C2的氧化层是由Ti O2和Si O2混合组成;多孔的Ti O2对氧气的阻碍作用有限,使材料更易受到氧化。而Ti2Al C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Ti O2。因此,Ti2Al C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,Cr2Al C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Cr2Al C的氧化增重速度减缓。综合以上实验结果,Cr2Al C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Cr2Al C和Ni Cr Al Y样品中的Cr元素易于与Na Cl发生反应而生成挥发性的Na2Cr O4,破坏氧化皮的完整性,导致Cr2Al C和Ni Cr Al Y在腐蚀过程中出现不同程度的失重。所以,Ti3Si C2和Ti2Al C在Na Cl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Ni Cr Al Y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Ni Cr Al Y,而MAX相的耐高温腐蚀性能比Ni Cr Al Y优异。其次,本研究还对Ti3Si C2、Ti3SiC2（Al）和Cr2AlC样品进行预氧化处理,研究了预氧化对Ti3SiC2、Ti3SiC2（Al）和Cr2Al C样品的高温氧化和高温热盐热腐蚀性能的影响。预氧化的Ti3Si C2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Ti3Si C2的氧化增重相差不大,即预氧化对Ti3Si C2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Ti O2层并不能有效阻隔氧气。然而,预氧化后的Ti3Si C2的腐蚀增重高于未预氧化的Ti3Si C2,即预氧化降低了Ti3Si C2的耐高温腐蚀性能。其原因可能为预氧化时生成的Ti O2和Si O2在与腐蚀介质Na Cl接触时更容易形成Na2Ti O3和Na2Si O4。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。
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