两种MCrAlY涂层∕DD6合金的循环氧化和互扩散行为

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1、涂层技术两种MC枷Y涂层／DD6合金的循环氧化和互扩散行为刘九香。崔向中，高巍，周国栋。姜春竹(1．中国航空制造技术研究院，北京100024；2．高能束流加工技术重点实验室，北京100024)【摘要】在DD6单晶高温合金基体上，利用电子束物理气相沉积(EB—PVD)技术制备NicocrAlY涂层，采用低压等离子喷涂(LPPS)技术制备NiCoCrAlYHfSi涂层，通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、电子探针显微分析(EPMA)等手段研究了在1100。(2下的热循环氧化和互扩散行为。结果表明，涂层显著提高了

2、DD6基体的抗氧化能力，经lOOh的循环氧化后，涂层表面氧化层主要成分仍为0【．AI，0，，依然发挥着较好的抗氧化保护作用。这两种涂层与基体之间形成了互扩散区(IDZ)和二次反应区(SRZ)，IDZ和SRZ的厚度均随着循环氧化时间延长而增大；SRZ中析出的棒状与颗粒状的拓扑密堆相(TCP)含有w、Re、Mo等高熔点元素，其质量分数分别高达37．51％、14．22％和10．61％，TCP含量随着氧化时间而增多。活性元素si、Hf对涂层中富Cr相和TGO的增长速率均有一定的抑制作用。关键词：单晶高温合金；涂层；热循环氧化；互扩散；二次反应区D

3、oI：10．160808．issnl671．833x．2017．08．037-f}耐刘九香硕士研表面防护。巴究生。主要研究方向为材料材料在涡轮发动机的恶劣环境下服役，不仅要保持良好的高温力学性能，同时还要抵抗高温氧化、中高温腐蚀等破坏。为提高单晶高温合金高温蠕变等高温性能，Re、Ru等高熔点元素的含量随单晶高温合金的代次而增加Ⅲ，而Al、Cr等元素含量减少，合金的抗氧化与抗腐蚀能力下降，单纯依赖高温合金本身很难兼顾合金的力学性能与抗氧化、抗腐蚀能力[2】。为了最大程度地提高涡轮机寿命和发挥材料的性能，必须使用保护涂层。MCrAIY(M为N

4、i，Co或二者)包覆涂层由于具有突出的抗氧化、热腐蚀性能及良好的塑性等综合性能，广泛用于高温合金的防护p]。此外，它还常用于热障涂层体系(TBCs)中的粘结层，不仅起抗氧化与热腐蚀防护，而且在陶瓷隔热层与基体之间起粘结过渡作用。研究表明，MCrAlY涂层在高温服役过程中与基体之间存在浓度差异发生互扩散，在基体界面形成互扩散区(IDZ)，且在IDZ下面形成二次反应区(SRZ)[4-5]oSRZ中析出拓扑密堆相(TCP)，TCP相一般有盯、斗和P相3种形式，TCP相对基体的性能产生不利影响，尤其是高温疲劳及蠕变性【6】。具有抗氧化与抗腐蚀能力

5、的涂层应该具备的主要特征[7]为抗氧化／抗腐蚀性能好；界面稳定性好；好的粘结力；力学性能满足使用需求。MCrAlY涂层由于具有较好的综合性能，抗氧化与热腐蚀性能，以及良好的塑性、热物性参数与高温合金基体匹配。DD6是中国研制的第二代镍基单晶高温合金，具有高温强度高、2017年第8期·航空制造技术37综合性能好、组织稳定且铸造工艺性能好等优势，在航空发动机叶片上显示了巨大的应用前景捧l。试验中采用DD6作为基体材料，利用电子束物理气相沉积(EB—PVD)技术制备NiCoCrAlY涂层和低压等离子喷涂(LPPS)(TGO)技术制备NiCoCr

6、AlYHfSi涂层；研究涂层与基体的循环氧化与互扩散行为，以及热长氧化物TGO的生长进率，对工程应用中预测涂层的寿命具有较大的意义。材料与方法基体材料DD6单晶高温合金试样尺寸为西14mm×3mm，涂层材料为NiCoCrAlY(铸锭)、NiCoCrAIYHfSi(粉末)，名义成分如表1所示。将所有试样先后置于乙醇、丙酮溶液进行超声清洗，再对待沉积试样进行喷砂等前期处理。采用LPPS技术在基体的两个底面分别沉积NiCoCrAlYHfSi涂层，采用EB—PVD技术在基体试样两面均制备NiCoCrAlY涂层。将两种不同工艺制备的涂层试样置于真空

7、热处理炉内，在4．5x10—4pa、1050℃条件下扩散热处理4h后，这两种涂层的表面微观形貌如图l所示，NiCoCrAlY涂层表面平整，无明显气孔；而NiCoCrAlYHfSi涂层表面粗糙，有较多未熔的靶材颗粒，还伴有明显的气孔。高温循环氧化试验采用美国的CMl612BL型热循环炉。将无涂层的DD6及NiCoCrAlY涂层／DD6、NiCoCrAlYHfSi涂层／DD6试样分别置于洁净干燥的带盖刚玉坩埚中并放于炉内，以40qC／min的升温速率升至11000C，保温50min后，快速置于炉外，采用强风吹冷10min，再置于炉内，如此往复

8、循环，每循环一定次数后从3组试样中各取出5个试样，进行宏观观察，称重试验及微观组织、结构分析等。称重时选用灵敏度为I．0X10巧g的电子天平，采用X射线衍射仪(XRD，德国布鲁克D8／VENT