镍基单晶高温合金PA EB-PVD γ/γ'涂层微观组织结构和抗高温氧化机理研究

Ni-based single crystal superalloy is the key structure material used in aeroengines. Single crystal superalloy should be protected by protective coatings,in order to improve its oxidation and corrosion resistance. It has been reported recently that a serious interdiffusion of Al from the coating into the alloy substrate occurs due to the high concentration of Al in the coating, thus resulting in an significant reduction of the mechanical properties. γ/γ′coating with lower Al content attracts extensive attention due to its satisified matching properity at the coating/substrate interface. However, the oxidation resistance of the coating is decreased, as a result of the reduction of Al content.Balancing the relation between the oxdation resistance and the interface matching properity is the key problem to be solved..In order to overcome the problems mentioned above, a γ/γ′coating with both satified oxidation resistance and interface matching properity is proposed. Meanwhile, some basic scientific problems including the plasma activated electron beam-physical vapor deposition method for fabrication, microstructure and oxidation mechanisms of the novel coating will be studied, aiming to provide a pratical technique and theoretical instructions to the protection of the advanced single crystal superalloy.

镍基单晶高温合金是目前航空发动机热端部件的关键结构材料。为了提高单晶合金的抗高温氧化腐蚀性能，需要进行表面涂层防护。近来研究发现，现有的MCrAlY（M：Ni，Co）或铝化物涂层由于Al含量较高，导致Al元素向单晶合金基体内扩散，大幅度降低了单晶合金的高温力学性能。低Al含量的γ/γ′涂层与单晶合金具有良好的界面匹配性能，引起了国内外学者的广泛关注。但Al含量的下降也降低了涂层的抗高温氧化性能，如何平衡γ/γ′涂层界面匹配性能和抗高温氧化性能之间的关系，是亟待解决的关键问题。.针对上述问题，本项目拟提出一种具有良好单晶合金界面匹配性兼具优异抗氧化性能的γ/γ′涂层，并对该涂层等离子体激活电子束物理气相沉积实现机制、微观组织结构以及抗高温氧化机理等科学技术问题开展研究，为研制出适用于先进单晶高温合金的金属防护涂层提供可行的实现方法和理论指导。

MCrAlY是涡轮发动机叶片的金属防护涂层材料，也是热障涂层的中间层材料。在采用物理气相沉积（PVD）技术制备MCrAlY涂层时，由于PVD是“视线”工艺过程，不可避免的会在涂层中引入柱状晶或线性缺陷，从而影响涂层的抗氧化腐蚀性能和热障涂层的服役寿命。本研究项目针对上述问题，设计了一种等离子体激活电子束物理气相沉积（PA EB-PVD）技术，通过在EB-PVD蒸发沉积过程中引入等离子体实现了采用PA EB-PVD制备MCrAlY涂层。系统研究了PA EB-PVD技术沉积制备NiCoCrAlY涂层的物理过程及其对涂层的微观组织结构和化学成份的影响机理、涂层的高温氧化及阻扩散行为。.在无束斑弧流激活沉积（SAD）技术的基础上，设计了PA EB-PVD设备。SAD技术是一种离化率较高的高速离子镀膜技术，但目前仅仅局限于一些高熔点金属，并不适用于低熔点金属和合金材料。本论文采用PA EB-PVD技术实现了NiCoCrAlY合金靶材的高速蒸发沉积。.采用PA EB-PVD制备了具有等轴晶结构的新型NiCoCrAlY涂层。研究了PA EB-PVD工艺参数对NiCoCrAlY涂层微观组织结构和成份离析的影响规律，掌握了PA EB-PVD涂层的微观组织结构和化学成分精确控制技术。研究发现，增大电弧放电电压和基板偏压均可以提高沉积粒子的能量。随着沉积粒子能量增强，涂层逐渐由柱状晶结构转变为致密等轴晶结构，晶粒尺寸增大，（111）面择优取向增强；另一方面，涂层成份离析效应增强，主要体现在Al含量降低和Cr含量升高。.采用PA EB-PVD工艺制备的NiCoCrAlY涂层具有较普通EB-PVD涂层更优异的抗氧化性能。通过对PA EB-PVD涂层在1373 K下的高温氧化行为的研究，揭示了涂层的抗高温氧化机理，指出涂层中存在的大量垂直于表面的γ/β相界为Al元素的外扩散提供了快速通道，促进了氧化初期θ-Al2O3的充分生长，最终生成的稳态α-Al2O3膜晶粒尺寸更大、结构更致密，从而降低了涂层的氧化速率。据此进一步制备出了抗氧化性能优异的低铝γ′基涂层，涂层中存在大量的γ′孪晶界是Al元素外扩散的快速通道。.设计制备了具有阻扩散和抗高温氧化双重功能的双层结构NiCoCrAlY涂层，并明确了涂层的阻扩散机理。结果表明，双层结构NiCoCrAlY涂层有效阻止基体合金中Hf、W等难熔元素外扩散，