铝化物涂层拓扑密排相的研究进展

黄良阳   齐浩雄   马瑞   孟国辉   刘梅军   杨冠军

西安交通大学金属材料强度国家重点实验室

摘要

铝化物涂层因其良好的抗高温氧化能力而被应用于航机和燃机叶片的高温防护。在涂层制备与服役过程中，涂层与基体元素互扩散，使基体的相结构发生转变，导致在涂层/基体界面形成互扩散区(IDZ),并析出富含Re、W、Cr、Mo等元素的细小拓扑密排相(TCP相)。TCP相的析出导致固溶强化效果减弱，同时作为一种脆性相促进了裂纹的产生，此外，互扩散区的形成减小了基体的承载面积，导致基体的高温蠕变性能下降。针对涂层TCP相的析出及IDZ的形成机理进行了介绍，分析了TCP相的类型(σ相、μ相、P相)、特点及对基体性能的危害。添加铂族改性元素和预沉积Ni层是抑制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相的生长和成核，而预沉积Ni层可以减小固溶强化元素的扩散。最后，展望了未来可通过添加多元改性元素或元素改性与预沉积Ni相结合的方法来抑制铝化物涂层TCP相的析出。

部分重点目录结构

1 拓扑密排相的析出及互扩散区和二次反应区的形成

1.1 涂层拓扑密排相的析出及互扩散区的形成

1.2 二次反应区的形成

2 析出拓扑密排相的类型及危害

2.1 析出拓扑密排相的类型

2.2 析出拓扑密排相的危害

3 抑制拓扑密排相析出的措施

3.1 Ru改性

3.2 Pt改性

3.3 Ir改性

3.4 Pd改性

3.5 预沉积Ni层

论文配图

铝化物涂层元素互扩散导致TCP相析出及IDZ与SRZ相形成

典型镍基高温合金γ-Ni/γ′-Ni3Al两相共格结构

镍基单晶合金渗铝后的截面结构

SRZ从涂层中形核生长

TCP相终止于γ相

IDZ与SRZ处发生断裂

涂层样品1 100 ℃真空中退火100 h后横截面的BSE形貌

Pt改性γ-γ′涂层的微观结构

涂层横截面微观结构的SEM形貌

900 ℃下等温氧化1 000,2 000 h简单铝化物涂层与Pd改性铝化物涂层的微观结构

涂层/基体系统微观结构

结论和展望

结论：

(1)铝化物涂层制备期间，涂层元素(Al)与基体元素(Ni、Re、W、Cr、Mo等)发生互扩散，相结构发生转变，在涂层/基体界面形成IDZ,并析出细小的片状或颗粒状的TCP相。服役期间继续元素互扩散在IDZ下方形成SRZ,并析出长针尖状的TCP相；

(2)TCP相常见类型为σ相、μ相和P相，析出消耗了基体的固溶强化元素，导致基体强度降低；并且TCP相均为脆性相，促进了裂纹生成和扩展。IDZ和SRZ的形成减少了合金承载面积，降低了基体的蠕变性能；

(3)采用添加铂族改性元素和预沉积Ni层抑制了TCP相的析出。添加改性元素可以增大固溶强化元素的固溶度并且可以抑制TCP相的生长速率和成核速率；通过预沉积Ni层可以抑制固溶强化元素向外扩散的通量，减小元素的析出及TCP相的形成。

展望：

(1)添加多元共改性元素。目前已有双元共改性元素的研究，其抑制效果优于单一改性，故可实现添加多元共改性元素来提高抑制效果；

(2)实现改性元素添加和预沉积Ni层的结合，减小固溶强化元素的析出的同时，增大元素的固溶度，从而抑制TCP相的析出。

引文格式

黄良阳，齐浩雄，马瑞，孟国辉，刘梅军，杨冠军. 铝化物涂层拓扑密排相的研究进展[J]. 材料保护, 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