Advances in Diffusion Barrier Coatings for High-Temperature Applications

材料科学 扩散阻挡层 热障涂层 高温合金 合金 阻挡层 蠕动 涂层 图层(电子) 扩散 冶金 氧化钇稳定氧化锆 复合材料 热力学 立方氧化锆 陶瓷 物理
作者
Toshio Narita,Yasumichi Kato,Takuro Narita,Mayumi Ara
标识
DOI:10.1007/s11085-023-10203-0
摘要

Abstract Diffusion barrier coating (DBC) systems on heat resistant alloys consist of a multi-layer structure: an outer Al-reservoir layer and an inner diffusion barrier layer (DBL). The outer Al-reservoir layer forms a protective Al 2 O 3 scale and DBL acts as a barrier layer against alloy interdiffusion. Three kinds of DBL were developed: Re on Ni-based superalloys; W on stainless steels; and Cr on Ni–Cr alloys. It was found that DBC systems have excellent mechanical properties (creep and fatigue), improving alloy substrate performance, and enhance the anti-exfoliation properties of YSZ in thermal barrier coatings (TBC) in addition to providing excellent oxidation resistance. At temperatures higher than 1300 °C, however, the DBC design based on kinetics (diffusion) is insufficient to form and maintain a protective Al 2 O 3 scale. In this case a self-maintaining coating (SMC) system designed on the basis of thermodynamics (phase stability) is required. The SMC system formed on Nb–Hf (C-103) alloy consists of a multi-layer structure: an outer Re (Al, Si) 1.8 and inner NbSi 2 layers, plus a transient Nb 5 Si 3 layers formed during oxidation. At temperatures higher than 1300 °C the Al 2 O 3 can be formed by changing the Al/Si ratio in the Re (Al, Si) 1.8 in which Si was supplied from the decomposition reaction of NbSi 2 to Si + Nb 5 Si 3 during selective oxidation of Al. It is proposed that coating alloys should be designed for considering not only high temperature oxidation, but also alloy substrate mechanical properties and anti-exfoliation of oxide scales, based on both kinetic principles (DBC system) and thermodynamics (SMC system).
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