涡轮发动机的热端部件通常在恶劣的环境下长期服役，尤其是在海洋性服役环境中（海洋大气中存在大量NaCl颗粒和水蒸气）。涡轮发动机中较高的工作温度与含有NaCl和水蒸气的侵蚀性环境相结合，使得热端部件遭受严重的高温腐蚀，从而导致发动机的使用寿命大大缩短。由于MCrAlY（M = Ni 和/或 Co）涂层因在高温侵蚀性环境中的优异表现，已作为高温防护涂层或热障涂层体系（TBC）中的粘结层（BC），用以保护热端部件免遭高温腐蚀。事实上，涂层的抗高温腐蚀性能取决于表面形成的氧化膜特性，通常连续、单一、粘附、热力学和化学性质稳定的Al₂O₃膜是最佳选择。但是，由于MCrAlY涂层中的Al含量相对较低，在高温氧化或腐蚀的过程中，生长的氧化膜中包含Al₂O₃和非保护性氧化杂质，这会对涂层的性能造成不利影响。因此，寻求简单、高效和经济的方式提高涂层的表面氧化膜生成能力和特性，是提升热端部件耐高温腐蚀性能的有效手段。

采用试验与计算相结合的方式明确模拟海洋环境中HVOF喷涂 NiCoCrAlY涂层的高温腐蚀机理，以及Pt改性和预氧化的改善作用机理。

1. 腐蚀测试方法

图1 盐雾热暴露腐蚀设备的结构示意图

每一个腐蚀周期包括：将试样放置在盐雾箱（3.5 wt.% NaCl溶液，温度35 °C）中进行22 h盐雾试验；然后将其迅速移入1000 °C马弗炉中进行2 h的高温腐蚀测试。采用该模式，模拟船舶发动机在海洋环境中需经历反复的驻留和巡航。

2. 三种涂层的盐雾热暴露腐蚀行为

图2 盐雾热暴露腐蚀过程中的氧化膜厚度变化曲线（a）和氧化膜厚度的平方与循环次数的拟合曲线（b）

PP-NiCoCrAlY涂层上的氧化膜最薄，且生长速率最为缓慢，其次为P-NiCoCrAlY涂层，说明了Pt改性和预氧化处理可降低涂层的腐蚀速率。

图3 NiCoCrAlY（a，d）涂层腐蚀33个周期、P-NiCoCrAlY（b，e）和PP-NiCoCrAlY（c，f）涂层腐蚀50个周期后的表面和截面形貌

PP-NiCoCrAlY涂层经过长期腐蚀后，表面氧化膜仍保持薄且完整连续的状态，涂层内未发生腐蚀以及退化行为，说明了Pt改性和预氧化处理可以提高涂层的高温腐蚀性能。

（注：Pt改性缩写为 “P”；预氧化+Pt改性缩写为“PP”。）

3. Pt改性及预氧化处理的作用

图4 Cl在β-NiAl相（a）、γ-(Ni,Cr,Al)相（b）、PtAl₂相（c）和掺Pt的γ-(Ni,Cr,Al)相(110)表面的吸附能分布情况

Cl在Pt周围的吸附作用较弱，吸附的稳定性较差，说明Pt会阻碍Cl的吸附，从而阻碍涂层中的金属元素发生氯化反应，进而减缓涂层的氧化/腐蚀速率，提高涂层的耐腐蚀性能。

图5 （a）12 ps后掺Cl的α-Al₂O₃的稳定结构示意图；（b）（a）中标注的O、Cl和Al原子的平均扩散系数；（c）2 ps和12 ps时，掺Cl α-Al₂O₃在[0001]晶向的原子间键强

预氧化处理形成的完整连续的α-Al₂O₃膜在含氯环境具有较高的稳定性，可作为阻挡层，有效保护涂层遭受侵蚀性环境的影响。

Pt改性和预氧化处理工艺的协同作用提高了涂层表面氧化铝膜的稳定性，降低了涂层的腐蚀敏感性，使得涂层腐蚀和氧化速率缓慢，拥有更长使用寿命潜力。

本研究评估了三种涂层（NiCoCrAlY，P-NiCoCrAlY和PP-NiCoCrAlY）的抗高温氧化和抗高温腐蚀性能，验证Pt改性和预氧化处理可对涂层性能提升提供有效贡献，为开发和设计面向于近海领域的高温防护涂层提供新思路及理论参考。研究团队下一步将探究高速、高温及高腐蚀耦合因素对涂层服役行为的影响，并进一步提高涂层的稳定性和使用寿命。

【通讯作者】

鲍泽斌

团队负责人

中国科学院金属研究所 研究员

鲍泽斌，男，工学博士，中国科学院金属研究所课题组长，博士生导师，2011年度中国科学院金属研究所“引进优秀学者”入选者，中国腐蚀与防护学会杰出青年，担任中国腐蚀与防护学会高温专业委员会副主任（兼秘书长），《Corrosion Communications》、《中国腐蚀与防护学报》等期刊编委，在材料表面与工程研究部从事高温腐蚀与防护研究工作，主要研究方向为航空发动机/燃气轮机用热障涂层设计、制备与评价，热障涂层成分、结构设计及界面稳定性调控，高韧性高温无相变热障陶瓷涂层制备与应用，以及高温防护涂层电化学退除与再修复、高性能高温防护涂层设计等。作为负责人主持国家自然科学基金，两机专项，国家部委基础科研、民口配套、基础加强，广东省重点领域研发项目等项目近二十项。在Journal of Materials Science & Technology、Journal of Advanced Ceramics、Corrosion Science、Journal of Applied Surfaces、Surface & Coatings Technology等权威期刊已发表论文90余篇，授权国家发明专利10余项。