等離子噴涂MCrAlY涂層作為一種典型的熱障涂層(TBC)，已經成功應用于汽輪機葉片、飛機發動機等重要工業設備部件的表面。作為熱障涂層，其必須具有較低的熱導率、抗熱震性能及高溫耐氧化性能。隨著工業技術的不斷發展，傳統MCrAlY涂層作為傳統的TBC涂層，已經不能滿足一些特殊工況下的使用要求，其強度較低、熱穩定性低的缺點逐漸顯現出來。
氧化物陶瓷具有許多優良的化學和物理性能，如硬度高、耐磨性好、高溫穩定性和化學穩定性好、熱導率低等，已被廣泛應用于各類耐磨材料中。將氧化物陶瓷添加到MCrAlY涂層中，可使涂層具有優異的力學性能與抗高溫氧化能力。
今天，我們將來看看兩種不同的氧化物陶瓷Al2O3和Cr2O3的添加會對MCrAlY涂層的抗高溫氧化性能有何影響，及其高溫氧化理。
試樣制備
試驗采用商用MCrAlY(NiCoCrAlYTa)，Al2O3，Cr2O3粉末，其粒徑分布集中在15~45μm，粉末形態
使用機械混合方法，將氧化物陶瓷粉末與MCrAlY粉末進行混合，兩種混合粉末中的氧化物陶瓷質量分數均為30％。采用美國普萊克斯公司3710等離子噴涂控制系統及SG-100型等離子噴槍進行大氣等離子噴涂試驗。選用0Cr25Ni20不銹鋼作為大氣等離子噴涂的基體材料，噴涂前對基體表面進行噴砂粗化處理。噴涂工藝參數為:噴涂電壓40V，噴涂電流500A，送粉速率45g·min-1，噴涂距離80mm。兩種涂層粉末成分。
試驗儀器
1.Olympus-BX51M光學顯微鏡
2.MHV-2000型顯微維氏硬度計
3.RJX-8-13箱式電阻爐
4.6510A型掃描電子顯微鏡及其配套的能譜儀
5.BrukerD8-Advanced型X射線衍射儀
高溫氧化試驗標準
參照的是航空標準HB5258-2000?鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法?和國標GB/T13303-1991?鋼的抗氧化性能測定方法?，采用的是試樣不連續稱重法，也稱為涂層循環氧化法。
涂層組織與基本性能
涂層中存在Cr2O3，Ni3Al，Al2O3三種物相。在2θ≈45°附近，涂層的衍射峰有著明顯的寬化現象，表明涂層中存在著部分非晶或納米晶，這說明熔融顆粒在形成涂層的過程中，其冷卻速率達到了非晶形成冷卻速率，從而形成了非晶態組織。
涂層厚度約為200μm，呈平行于涂層與基體結合面的層狀分布，涂層中存在著一些半熔化顆粒、微裂紋和灰黑色氧化物。
C1涂層與C2涂層的孔隙率、顯微硬度都相接近，其中C1涂層的孔隙率略低于C2涂層的，C1涂層的顯微硬度則略高于C2涂層的，從而證明等離子噴涂涂層孔隙率越低、顯微硬度越高的規律。
涂層的氧化動力學曲線
在初始的20h內，各組涂層的氧化動力學曲線均呈快速上升趨勢，說明在此時間段內，涂層的表面未形成完整連續的抗氧化膜，其在高溫環境中發生了劇烈的氧化反應，產生了較多的氧化產物，因此其質量增加較快。在20~40h這個時間段內，兩種涂層的氧化動力學曲線上升趨勢均有所減緩，這可能是由于在涂層的表面已經逐漸形成了連續穩定的抗氧化膜，阻止了氧進入涂層的通道，減緩了涂層表面氧化反應的速率。在40h后，涂層的氧化動力學曲線呈現緩慢上升的態勢；100h后，C1涂層與C2涂層的氧化質量增加十分接近，達到6mg·cm-2。
采用Matlab軟件依據最小二乘法對涂層的質量變化進行擬合，并求出曲線方程，結果如表3所示。700℃時，兩種涂層擬合的氧化動力學曲線方程的二次項和一次項系數分別為-2.649×10-4和0.055。
涂層氧化形態和成分
在氧化過程中生成的各種氧化物中，由鋁元素氧化生成Al2O3的吉布斯自由能最低，且所需的最低氧分壓也最小。這表明，在同一氧化氣氛下的各種元素競爭氧化過程中，鋁元素具有優先氧化的趨勢，涂層表面的Al2O3膜極易形成。
C1涂層表面出現了較多的白亮絮狀物，經能譜分析，其中鉻和氧的含量較高，初步判斷為Cr2O3；氧化后的C2涂層表面較C1涂層的更為平整，其表面出現了一些球狀氧化物，還出現了條狀裂紋，說明此時的C2涂層已經出現了結構性的破壞。對C2涂層表面生成的球狀氧化物進行能譜分析，發現其含有氧、鋁、鉻、鈷等多種元素，初步判斷其為多合金成分的氧化物。
(1)大氣等離子噴涂MCrAlY-CrO和MCrAlY-AlO涂層中存在Cr2O3，Ni3Al，Al2O3三種物相，且存在部分非晶相，這是由于熔融顆粒在形成涂層的過程中，其冷卻速率達到了非晶形成冷卻速率，從而形成了非晶態組織。
(2)涂層結構呈平行于涂層與基體結合面的層狀結構，涂層中存在著一些半熔化顆粒、微裂紋和灰黑色氧化物，且這些微裂紋都平行于涂層與基體結合面方向。
(3)MCrAlY-CrO和MCrAlY-AlO涂層在高溫氧化初期階段，其氧化速率較快，后期氧化速率逐漸趨緩。在高溫狀態下涂層表面分別生成了鉻和鋁的氧化產物，對涂層起到了保護作用。
