一种脉冲电子束物理气相沉积梯度MCrAlY包覆涂层组织结构演变及性能研究

MCrAlY (M denotes Ni and/or Co) overlay coating plays a vitally important role in the high temperature protective coating series. This promising metallic coating could either provide excellent protection independently or serve as the bond-coat for the thermal barrier coating systems (TBCs), thus it determines the property and service life for its related coatings in high temperature applications. The present study will utilize a novel technology of pulsed electron beam physical vapour deposition (PEB-PVD) to prepare a gradient MCrAlY overlay coating with composition and microstructure. By using 25 ns high-precision laser, the PEB-PVD lab-coater could generate pulsed electron beams with high degree of accuracy, which the composition of each coating layer could be regulated through controlling the "dwelling-time" of the pulsed electron beam on each element target. The gradient distribution of structure and composition of the obtained MCrAlY coating will be characterized. By testing the high temperature oxidation and thermal-shock behaviour, the performance of the coating and the diffusion rule of beneficial elements will be studied. The "gradient effect", microstructure evolution and degradation mechanism of the PEB-PVD prepared MCrAlY coating will be investigated intensively.

高温防护MCrAlY（M = Ni, Co或Ni+Co）包覆涂层在高温防护涂层体系中占有举足轻重的地位，它既能够单独为热端部件提供良好的保护，也是热障涂层体系（TBCs）中不可或缺的粘接层，决定着与之相关的高温防护涂层的服役性能和寿命。本项目将采用新型脉冲电子束物理气相沉积（PEB-PVD）技术，利用高精度激光（25 ns）产生脉冲电子束加热单质靶材，使蒸发出的活性原子在气相沉积过程中合金化，通过精确控制单质靶材蒸发响应时间制备具有层状结构的梯度MCrAlY包覆涂层；对获得的梯度MCrAlY包覆涂层进行微观组织结构分析，探讨其梯度结构特征和涂层在服役过程中有益元素扩散规律，考察涂层抗高温氧化及热震性能，研究PEB-PVD方法制备的梯度MCrAlY涂层"梯度效应"、微观组织结构演变规律和涂层退化机制。

作为先进航空发动机和燃气轮机的关键结构材料，镍基单晶高温合金具有优异的抗蠕变能力、结构强度和疲劳寿命。随着发动机涡轮进口温度的不断提升，镍基单晶高温合金中难熔金属（Re、W、Mo、Ta等）含量需进一步提高，而Al、Cr等抗氧化有益元素含量有所降低，故单晶热端部件服役前必须涂覆金属粘结层进行保护。由于高温防护涂层中Al含量较高，高温下与单晶基体的元素互扩散会破坏单晶基体γ/γ'共格结构，降低基体合金的力学性能，大量消耗涂层中的Al并加速涂层退化，最终降低涂层的有效服役寿命。因此，理想的高温防护金属粘结层应具备如下特征：（a）优异的抗高温氧化性能；（b）较少影响单晶基体的力学性能。以理想高温防护涂层为目标，本课题从上述两方面着手，主要研究内容包括：（1）低氧化动力学金属粘结层的研制和性能评价。以铂改性铝化物涂层为对象，证实PtAl2涂层虽然拥有优异的抗恒温氧化性能，但抗循环氧化性能极差，铝含量适中的改性 β 相涂层具有良好的抗氧化和力学性能，而少量的活性元素Hf改性可使得β-(Ni,Pt)Al涂层氧化动力学常数降低一个数量级，达到已报道最低氧化动力学常数水平，具备理想高温防护涂层第一特征。然而，该金属粘结层系列由于Al元素含量分布在β 相区，仍无法避免与基体单晶高温合金的元素互扩散，存在诱发单晶基体力学性能下降的风险。（2）梯度高温防护涂层制备、微观组织结构及其性能研究。采用物理气相沉积技术，制备了底层为NiCoCrAlYHfSi、面层为β-NiAl的梯度复合高温防护涂层，结果表明梯度复合涂层的高温氧化动力学常数不到原NiCoCrAlYHfSi涂层的1/4，且新型梯度涂层引起的单晶TCP相析出深度为β-NiAl涂层的一半左右，兼具有良好的抗氧化性能和力学性能。. 通过该项目的资助，现已完全掌握梯度金属粘结层的制备技术和元素互扩散特性，揭示了铂改性铝化物涂层厚度与气相沉积参数的本征关系，阐明了铂铝涂层表面双层氧化铝膜的生长机理，首次报道了一种铪元素在(Ni,Pt)Al涂层底部富集且涂层内无可见Hf颗粒析出的新型高温防护涂层。该涂层抗氧化性能极为优异，有望在高性能航空发动机涡轮工作叶片上获得应用。项目执行期三年内，发表SCI收录论文4篇，已毕业博士后和博士生各1名，培养在读博士研究生2名。