Ni3Al基单晶高温合金和抗氧化涂层界面稳定性研究

Owing to the good thermal stability and high temperature strength, Ni-based superalloys have been extensively used in both aviation and land-based gas turbine environments at elevated temperatures. Ni3Al-based single crystal alloys show the low density and good high temperature strength. In order to further increase the temperature capacity, the Ni3Al-based superalloys must be conjunction with the protective coatings. However, interdiffusion between the coating and superalloys may induce secondary reaction zone (SRZ) at the interface of the coating and the substrate which would lead to mechanical properties degradation of the superalloy substrate. Both experimental methods and the computational materials science are used to investigate the microstructural stability of the interface between the coating and the superalloy substrate. On the basis of the above investigation, effect factors of the microstructural stability and the effect of the coating on the mechanical property of the single crystal superalloy are grasped. The microstructural stability of the interface between the coating and the superalloy can be approximately estimated, which may be useful for the engineering application of Ni3Al base single crystal superalloy.

Ni3Al基单晶高温合金具有低密度、高强度等优点，可作为航空发动机新型叶片材料。随着发动机推重比的提高，必需在单晶合金表面上涂覆抗氧化涂层，但在高温服役过程中涂层可与基体发生元素互扩散而导致力学性能的下降。本项目拟针对新型Ni3Al基单晶合金高Al和高γ´相的特点，采用实验验证与第一性原理、分子动力学、有限元分析等计算材料学相结合的方法，开展Ni3Al基单晶合金和抗氧化涂层界面稳定性研究，系统研究Ni3Al基单晶合金基体与MCrAlY和改性β-NiAl等抗氧化涂层间合金元素的互扩散机理、TCP相与二次反应区（SRZ）形成机制，研究二次取向、预变形、高温热暴露等因素对界面稳定性的作用机理，建立新型Ni3Al基单晶合金基体/涂层界面稳定性判据，研究Ni3Al基单晶合金基体/涂层界面稳定性对力学性能特别是疲劳性能的影响规律，为新型Ni3Al基单晶合金在高效超气冷叶片上的应用奠定理论基础。

热障涂层作为先进航空发动机所采用的关键技术，在降低叶片表面温度，提高叶片的抗氧化/腐蚀能力方面有着不可替代的作用。然而在高温服役环境中，金属粘结层与合金基体的互扩散不可避免，会导致涂层/基体界面的相结构失稳，导致涂层抗氧化性能及合金基体力学性能的下降。本项目通过调控改性β-NiAl涂层的元素组成，探究了不同成分涂层与新型Ni3Al基单晶合金之间的高温互扩散及氧化行为，发现Pt的加入在提高涂层抗氧化性能的同时会加速界面组织退化，此外合金中难熔元素会在涂层/合金界面处聚集析出，降低合金基体固溶强化作用；探究了服役过程中温度、应力对界面元素互扩散的影响，界面退化速度随温度升高急剧加快，而应力对界面元素扩散及组织演变几乎无影响；为有效阻碍界面互扩散行为，本项目设计制备了Re、Ru改性的β-NiAl涂层，结果发现微量Re元素加入对界面互扩散无显著影响，而富Ru的β-NiAl涂层可以有效提高Al在其中的扩散激活能，有效抑制界面析出相析出及Al向合金基体的内扩散；系统开展了涂层对合金拉伸、持久、高周疲劳性能影响的研究，发现高温下由于涂层韧性提高，且表面裂纹存在自愈合行为，带涂层合金力学性能下降主要由涂层/基体互扩散导致的基体承载面积下降引起，而低温下涂层的脆性开裂会进一步加剧合金力学性能的下降。本课题阐明了元素对涂层/合金互扩散行为的影响，揭示了温度/应力与涂层对基体力学性能影响的关系，为涂层材料在发动机中的应用提供了实验数据与理论基础。