鋁化物涂層拓撲密排相的研究進展

黃良陽   齊浩雄   馬瑞   孟國輝   劉梅軍   楊冠軍

西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室

摘要

鋁化物涂層因其良好的抗高溫氧化能力而被應用于航機和燃機葉片的高溫防護。在涂層制備與服役過程中，涂層與基體元素互擴散，使基體的相結構發生轉變，導致在涂層/基體界面形成互擴散區(IDZ),并析出富含Re、W、Cr、Mo等元素的細小拓撲密排相(TCP相)。TCP相的析出導致固溶強化效果減弱，同時作為一種脆性相促進了裂紋的產生，此外，互擴散區的形成減小了基體的承載面積，導致基體的高溫蠕變性能下降。針對涂層TCP相的析出及IDZ的形成機理進行了介紹，分析了TCP相的類型(σ相、μ相、P相)、特點及對基體性能的危害。添加鉑族改性元素和預沉積Ni層是抑制TCP相析出的主要方法，添加改性元素可以增大固溶元素的固溶度，并抑制TCP相的生長和成核，而預沉積Ni層可以減小固溶強化元素的擴散。最后，展望了未來可通過添加多元改性元素或元素改性與預沉積Ni相結合的方法來抑制鋁化物涂層TCP相的析出。

部分重點目錄結構

1 拓撲密排相的析出及互擴散區和二次反應區的形成

1.1 涂層拓撲密排相的析出及互擴散區的形成

1.2 二次反應區的形成

2 析出拓撲密排相的類型及危害

2.1 析出拓撲密排相的類型

2.2 析出拓撲密排相的危害

3 抑制拓撲密排相析出的措施

3.1 Ru改性

3.2 Pt改性

3.3 Ir改性

3.4 Pd改性

3.5 預沉積Ni層

論文配圖

鋁化物涂層元素互擴散導致TCP相析出及IDZ與SRZ相形成

典型鎳基高溫合金γ-Ni/γ′-Ni3Al兩相共格結構

鎳基單晶合金滲鋁后的截面結構

SRZ從涂層中形核生長

TCP相終止于γ相

IDZ與SRZ處發生斷裂

涂層樣品1 100 ℃真空中退火100 h后橫截面的BSE形貌

Pt改性γ-γ′涂層的微觀結構

涂層橫截面微觀結構的SEM形貌

900 ℃下等溫氧化1 000,2 000 h簡單鋁化物涂層與Pd改性鋁化物涂層的微觀結構

涂層/基體系統微觀結構

結論和展望

結論：

(1)鋁化物涂層制備期間，涂層元素(Al)與基體元素(Ni、Re、W、Cr、Mo等)發生互擴散，相結構發生轉變，在涂層/基體界面形成IDZ,并析出細小的片狀或顆粒狀的TCP相。服役期間繼續元素互擴散在IDZ下方形成SRZ,并析出長針尖狀的TCP相；

(2)TCP相常見類型為σ相、μ相和P相，析出消耗了基體的固溶強化元素，導致基體強度降低；并且TCP相均為脆性相，促進了裂紋生成和擴展。IDZ和SRZ的形成減少了合金承載面積，降低了基體的蠕變性能；

(3)采用添加鉑族改性元素和預沉積Ni層抑制了TCP相的析出。添加改性元素可以增大固溶強化元素的固溶度并且可以抑制TCP相的生長速率和成核速率；通過預沉積Ni層可以抑制固溶強化元素向外擴散的通量，減小元素的析出及TCP相的形成。

展望：

(1)添加多元共改性元素。目前已有雙元共改性元素的研究，其抑制效果優于單一改性，故可實現添加多元共改性元素來提高抑制效果；

(2)實現改性元素添加和預沉積Ni層的結合，減小固溶強化元素的析出的同時，增大元素的固溶度，從而抑制TCP相的析出。

引文格式

黃良陽，齊浩雄，馬瑞，孟國輝，劉梅軍，楊冠軍. 鋁化物涂層拓撲密排相的研究進展[J]. 材料保護, 2024, 57(02): 98-107.

HUANG Liangyang, QI Haoxiong, MA Rui, MENG Guohui, LIU Meijun, YANG Guanjun. Research Progress on Topologically Close-Packed Phases of Aluminide Coatings[J]. Materials Protection, 2024, 57(02): 98-107.

DOI: 10.16577/j.issn.1001-1560.2024.0039