镍基合金基体热障涂层界面扩散和反应的研究

【摘要】：本文用等离子喷涂方法在镍基耐热合金基体表面制备了NiCrAlY／Y_2O_3-PSZ(Yttria-Partially-Stabilized Zirconia)热障涂层。用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、能谱分析仪、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计，首次从理论和实践的结合上，对有实际应用价值的多元镍基合金与热障涂层在高温下的扩散过程和界面反应进行研究。包括热障涂层结构和成份设计、样品制备工艺及参数优化；显微组织、相结构和成份分布分析；用Thermo-Calc和DICTRA软件对相变和扩散进行模拟计算；分析涂层的高温氧化失效和热震失效机理以及界面反应与失效的关系，对提高涂层寿命的措施提出自己的见解。结果表明： 用先进的等离子喷涂系统设备，采用优化了的喷涂工艺和参数成功地制备了以航空发动机为应用背景的性能稳定的NiCrAlY—ZrO_2两层热障涂层。 喷涂态的热障涂层基体与底层之间部分界面存在厚度为2～3μm的熔化层。经1100℃热处理，基体和底层中元素发生了相互扩散(Ni为上坡扩散)，并在界面析出γ’相，γ’的存在使界面的结合为冶金结合；在底层／面层界面由于底层被氧化和Al与ZrO_2氧化还原反应形成Al_2O_3等氧化物，Y’和氧化物的厚度随热处理时间延长而增加。 热障涂层在大气热处理过程中，面层部分t-ZrO_2向m-ZrO_2转变，随保温时间的延长m相的量增加，真空热处理没有发现ZrO_2的同素异相相变；大气25h和50h热处理的热障涂层横截面有明显的择优取向。 多元合金的基体和热障涂层的扩散和界面反应，用相平衡热力 学Thermo一ca1C和相变动力学D工CTRA软件对基体/底层界面Y’相 的摩尔分数以及整个试样中各元素的成份分布随温度和时间的变化 进行计算，计算结果与实验结果有很好的吻合。它表明，如果有可 靠的热力学和动力学数据库，通过改变材料的成份、制造工艺、热 处理制度等条件，可以在计算机上进行一系列的模拟计算，以改进 材料的各项性能。 造成热障涂层失效的主要原因是高温氧化和热冲击。底层与面 层之间界面存在的部分Zro，或YZO3被A1还原生成Zr或Y，A1被氧 化形成A1203的反应是热障涂层高温氧化失效的原因之一;热震失效 的主要原因是由于底层与面层之间热膨胀系数的差异而产生的剪应 力与喷涂时产生的内应力之和导致面层产生裂纹。 在热障涂层基体/底层界面，热处理前存在形成熔化层的固液反 应，热处理后存在形成Y’相的相变反应;在底层/面层界面，热处 理后存在底层氧化反应和Al与ZrO:的氧化还原反应。由于界面反 应形成的致密的Y’或氧化物膜对提高涂层的寿命是有利的，但厚 的Y’或氧化物层是涂层失效的原因之一;形成熔化层的固液反应 可提高基体与底层的结合强度。