高温合金表面AlCoCrNiMxREy高熵合金热喷涂涂层的结构、抗氧化和热扩散行为研究

Thermal barrier coatings (TBCs) can block heat transfer and mitigate oxidation and corrosion for substrates. The service temperature of superalloys in turbine engines can be improved. TBCs play an important role on prolonging service life of turbine engines. However, two types of bond coats for TBCs, MCrAlY and (Ni, Pt) Al, have some problems in application. The low strength of the bond coats at high temperature results in rumpling at the interface under thermal stress and spallation of the coating. The interdiffusion with superalloys leads to Al depletion in bond coats, reduction of the oxidation resistance and formation of brittle phases in superalloys. Atoms in high-entropy alloys are arranged randomly, which shows remarkable solution strengthening effect. The microstructure of high-entropy alloys is quite simple with tiny grains. The high-entropy alloys possess high strength, excellent corrosion resistance and low diffusion rate. These properties provide a new perspective for improving the performance of the bond coats. So far, research on oxidation of high-entropy alloy at high temperature is still very limited. In this study, we will prepare AlCoCrNiMxREy (M = Fe, Ti; RE = La, Y, Lu) high-entropy alloys by vacuum melting. The composition will be optimized to reach best oxidation resistance. The material will be plasma sprayed on superalloys as a bond coat for TBCs and the thermal cycling test will be carried out. The research is aimed to obtain bond coats with high-entropy state better oxidation resistance, higher creep strength, and lower diffusion rate. Besides, this study will also promote the development of high-entropy alloy basic theory and its application in industry.

热障涂层可以阻隔传热，减缓的基体的氧化和腐蚀，提高燃气轮机内高温合金的使用温度，对延长其服役寿命起重要作用。应用于热障涂层的MCrAlY和（Ni，Pt）Al两类粘结层，在使用中存在一些问题：粘结层较低的高温强度导致在热应力下界面皱曲而涂层剥落；与基体高温扩散造成铝贫化、抗氧化能力降低和基体中脆性相生成。多主元高熵合金中原子呈无序排列，存在强烈固溶强化。其组织结构简单而晶粒细化，具有强度高，耐腐蚀、扩散迟滞的特点，为提升粘结层性能提供了新的视角。目前，对高熵合金高温氧化的研究还很有限。本研究使用真空熔炼获得AlCoCrNiMxREy（M=Fe，Ti；RE=La，Y，Lu）高熵合金，优化得到抗氧化性能最佳组分，使用等离子喷涂将其沉积为粘结层并考察其高温循环氧化行为。希望高熵化后的粘结层具有更好抗氧化、抗高温蠕变和低扩散性能。同时，本研究也会促进高熵合金基础理论的发展和高熵合金在产业中的应用。

热障涂层材料可以减缓燃气轮机中高温合金的氧化和腐蚀，提高其使用温度和服役寿命。随着涡前温度的不断提高，传统MCrAlY和（Ni，Pt）Al两类粘结层抗氧化性和高温强度仍不足，热氧化物生长快，涂层表面发生蠕变皱曲将导致涂层开裂失效，粘结层与基体高温扩散造也会成抗氧化能力降低和界面性能下降。高熵合金中原子呈现强烈无序固溶强化，其组织结构简单而强度高，可能存在扩散迟滞的特点。高熵化后的粘结层可望具有更好抗氧化和低扩散性能。本研究使用真空熔炼获得AlCoCrNiMxREy（M=Fe，Ti，Si，Ta；RE=Y，Sc，Lu）高熵合金，考察合金块体结构和循环氧化性能得出结构简单，抗氧化性能最佳组分。使用等离子喷涂将其沉积为粘结层并考察其高温循环氧化及扩散行为。提出了原子半径、电子浓度和电负性组合判据，考察了其对高熵合金固溶体相的预测能力。结果表明：（1）对于AlCoCrNiTix，x≥0.5时产生双BCC相。x>0.05时合金氧化速率快速增加；（2）Fe加入不改变AlCoCrNi的BCC相，有利于氧化膜的平整，对涂层氧化增重作用不明显；（3）0.3at%左右的Y，Sc，Lu可大幅提高含AlCoCrNi组分合金的抗氧化能力，平整氧化膜，降低氧化速率。其中Y，Lu作用较强而Sc次之；4）Si、Ta进一步降低了AlCoCrFeNi的氧化速率。添加量较少时（<2at%）未出现复杂结构化合物析出。同时添加且含量较高时，可生成含有富Si、Ta的金属间化合物从晶界析出，导致其涂层发生内氧化；（5）含等摩尔AlCoCrNi组分的合金在添加少量合金元素后基本维持了BCC结构。当Al含量维持在18at%以上，增加Ni含量同时维持高熵状态时，合金结构向BCC和FCC双相转变，其抗氧化能力较等摩尔比合金更优越。块体和涂层氧化结果表明部分高熵合金抗氧化增重性能接近或者优于传统材料NiCoCrAlY。