CrON扩散阻挡层对NbCrAl涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252015VoJ．36No．I13734．374IISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cnCrON扩散阻挡层对NbCrAI涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响许安，周敏，杨阳，秦泽华，李伟洲*广西大学材料科学与工程学院，南宁530004摘要：利用磁控溅射技术在C103型Nb基高温合金上制备了含和不含Cr0N扩散阻挡层的NbCrAl涂层，对

2、比研究了2种涂层分别经900℃和1000℃真空热处理后的元素扩散行为。结果表明：NbCrAl涂层以CrzNb和AINbz相为主，含非晶态组织；真空热处理后生成了NbAI。和(Nb，Cr)沉淀相。热处理温度由900℃升至1000℃时，NbCrAl涂层中元素扩散速度加快。不含扩散阻挡层样品中cr和Al元素扩散至基体的含量分别为2．76wt％和1．21wt％，而含扩散阻挡层样品中Cr和Al元素扩散到基体的含量分别仅为2．52wt％和0．84wt％。扩散阻挡层保持连续，且与涂层及基体的界面结合良好，经高温处理后主要

3、以密排六方结构的Crz0。和Al：0。相为主，有效地抑制了元素互扩散。关键词：磁控溅射技术；涂层；Nb基合金；扩散阻挡层；互扩散中图分类号：V252．3；V261．93文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)11-3734—08金属Nb熔点高(2468℃)，密度适中(8．6g／cm3)，具有优良的高温机械性能和加工性能。Nb基合金被认为是最有希望代替现有镍基合金的高温结构材料。但抗氧化性差是制约Nb基合金应用的重要因素。在表面涂覆防护涂层是提高其抗氧化性和兼顾高温力学性能的最佳方法吣]。常用的

4、高温防护涂层MCrAlY(M—Ni，Co和Ni+Co)具有良好的抗氧化、抗热腐蚀和高温力学性能，可单独作为涡轮叶片等热端部件的包覆涂层，又可作为热障涂层的粘结层[6。7]。由于Nb合金与Ni基或Co基涂层的物理性能差别较大，因此在Nb基合金表面发展与MCrAlY类似的NbCrAl涂层被提出[8。9]。NbCrAI具有较为理想的高温抗氧化性[1“11]。Hebsur和Stephens[10]发现NbCrAl在1200℃氧化50h后呈抛物线形状增重，其氧化速率为0．22m92／(cm4·h)，添加Y、Hf、Er

5、等合金元素，可进一步提高其抗氧化性。NbCrAl涂层的抗氧化机理与MCrAIY相同，主要通过涂层中的Cr和Al在环境中形成连续致密的Cr。O。和(或)Al。O。膜来实现。由Ni基合金表面MCrAlY涂层的研究可知，高温下长期服役涂层与基体间的元素互扩散会带来一系列不良影响[1214I。其中包括，①涂层中Cr、Al等有益元素向基体扩散，降低涂层的自愈能力；②基体中难熔元素进入涂层，破坏保护性氧化膜的连续致密性，缩短涂层使用寿命。在涂层与基体间添加扩散阻挡层是解决元素收稿日期：2014-10-27；退修日期：2

6、014-12-18；录用日期：2015—02—06；网络出版时间：2015-02-1210：41网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．201502121041．003．htmI基金项目：国家自然科学基金(51371059，51361003，51001032)；广西自然科学基金(2014GXNSFCAll8013，0731013)；广西高等学校高水平创新团队项目(第二批)；广西自然科学基金创新研究团队项目(2011GXNSFF018001)*通讯作者．Tel．：07

7、71-3270152E-mail：liwz2008@hotmailcom戮用撂武lXuA．ZhouM，YangY，eta1．InfluenceofCrONdiffusionbarrieronelementsinter-diffusionbetweenNbCrAIcoatingandNb-basedsuperalloyrJIActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015．36(H)：3734．3741许安．周敏．杨蹄．等．CrON扩散阻挡层对NbCrAI涂层sNb基高温合金元

8、素互扩散的影响tJI．航空学报．2015．36(11)：3734—3741．许安等：CrON扩散阻挡层对NbCrAl涂层与Nb基高温合金元素互扩散的影响互扩散问题的一种有效办法[15。16

9、。CrON作为一种活性陶瓷型扩散阻挡层，具有CrN涂层和Cr203涂层的优点。Wang[17。18]和Li[19]等发现高温条件下CrON扩散阻挡层与扩散来的金属元素反应生成稳定的化合物，可有效抑制涂层与基体的元素互扩散，与基