本文是一篇博士学位论文，题为《提高镍基高温合金抗氧化腐蚀性能的实验及理论研究》，作者为曹将栋，指导老师为花银群教授，论文于2018年12月在江苏大学完成答辩并授予博士学位。该论文主要研究了镍基高温合金GH202在高温环境下的氧化腐蚀行为，并通过激光冲击强化、渗铝工艺及等离子喷涂等技术手段，探索了提高其抗氧化腐蚀性能的方法。
高温合金是航空航天发动机热端部件（如涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等）的关键材料。随着航空航天工业的快速发展，发动机的工作温度不断提高，对高温合金的承温能力提出了更高的要求。镍基高温合金因其优异的高温强度和抗氧化性能，成为航空发动机热端部件的首选材料。然而，随着温度的升高，高温合金表面会形成氧化膜，虽然这些氧化膜（如Cr₂O₃、Al₂O₃）在初期能够有效保护合金基体，但随着氧化膜的增厚和疏松，氧元素会加速向基体扩散，导致合金性能下降。因此，研究高温合金的氧化腐蚀机制，并探索提高其抗氧化腐蚀性能的方法，具有重要的科学意义和工程应用价值。
论文以镍基高温合金GH202为研究对象，系统研究了其在高温环境下的氧化腐蚀行为，并通过激光冲击强化、渗铝工艺及等离子喷涂等技术手段，探索了提高其抗氧化腐蚀性能的方法。具体研究内容包括以下几个方面：
高温氧化腐蚀机理研究
研究了GH202在800°C、900°C、1000°C和1100°C下的氧化行为。结果表明，GH202的氧化动力学遵循抛物线规律，氧化激活能为247.8 kJ/mol，接近Cr³⁺的扩散激活能（259 kJ/mol），表明氧化过程主要由Cr³⁺向表面氧化膜的扩散行为主导。氧化膜主要由Cr₂O₃组成，伴有少量TiO₂和尖晶石NiCr₂O₄。随着温度升高，氧化膜逐渐疏松，内氧化加剧，拓扑密排相（TCP）析出增多。在1000°C以上，氧化膜外层脱落，合金抗氧化性能显著下降。
激光冲击强化实验
通过激光冲击处理（LSP），GH202的表面硬度从400 HV提高到560 HV，表面产生了较大的残余压应力（最大约-300 MPa）。激光冲击后，合金表面晶粒细化，产生了大量晶体缺陷（如孪晶、位错缠结等），这些缺陷阻碍了位错滑移，提高了合金的机械性能。激光冲击处理还显著提高了合金的抗高温氧化和腐蚀性能，氧化膜更加致密，内氧化程度减轻，TCP相析出减少。
渗铝工艺与激光冲击复合处理
通过渗铝工艺在GH202表面制备了NiAl涂层，研究了渗铝温度、渗剂成分（如Y₂O₃、Al粉、NH₄Cl）对涂层厚度的影响。结果表明，850°C下4.5% Y₂O₃对渗铝深度影响显著。激光冲击处理渗铝涂层后，涂层表面产生了少量位错线，基体表层晶粒细化，位错密度增加。激光冲击处理有助于在高温下快速形成致密的氧化膜，延缓Al₂O₃的生长和相变，提高了渗铝涂层的高温抗氧化性能。
激光冲击与等离子喷涂复合处理
通过等离子喷涂在GH202表面制备了CoCrAlYTaSi粘结层，研究了其高温氧化行为。激光冲击与等离子喷涂复合处理后，粘结层与基体结合面的氧化膜更加致密，氧化物生长速度减缓，热应力释放更加均匀，延长了涂层的使用寿命。
高温氧化机制：GH202在800°C-900°C下具有良好的抗氧化性能，但在1000°C以上氧化膜逐渐疏松，抗氧化性能显著下降。氧化过程主要由Cr³⁺的扩散行为主导，氧化膜以Cr₂O₃为主，伴有少量TiO₂和NiCr₂O₄。
激光冲击强化效果：激光冲击处理显著提高了GH202的表面硬度和残余压应力，晶粒细化和晶体缺陷的增加提高了合金的机械性能。激光冲击处理还显著提高了合金的抗高温氧化和腐蚀性能，氧化膜更加致密，内氧化程度减轻。
渗铝工艺与激光冲击复合处理：渗铝工艺制备的NiAl涂层在激光冲击处理后，氧化膜更加致密，Al₂O₃的生长和相变时间延缓，显著提高了涂层的高温抗氧化性能。
激光冲击与等离子喷涂复合处理：激光冲击与等离子喷涂复合处理制备的热障涂层在高温氧化后，氧化膜更加致密，氧化物生长速度减缓，热应力释放更加均匀，延长了涂层的使用寿命。
该论文通过系统的实验和理论研究，揭示了镍基高温合金GH202的高温氧化腐蚀机制，并通过激光冲击强化、渗铝工艺及等离子喷涂等技术的复合应用，显著提高了其抗氧化腐蚀性能。研究成果具有重要的科学价值和工程应用前景，为高温合金的表面改性提供了新的技术路径。