热障涂层中反应扩散障的制备及基体粘结层界面结构演变控制行为的研究

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1、一、课题名称：热障涂层中反应扩散障的制备及基体/粘结层界面结构演变控制行为的研究国家级科研项目省（部）级科研项目横向课题自选课题国家“973”项目二、课题研究的主要依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景）1研究背景航空燃气涡轮发动机既是飞机的“心脏”，又是推动航空事业快速发展的源动力[1]-[3]。它是以连续流动的气体为工作介质带动叶轮高速旋转，将燃料的化学能转变为动能的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动

2、机[2]。随着航空航天工业的迅速发展，对发动机的性能要求越来越高[3]。燃气涡轮机的主要发展方向是提高发动机涡轮前端燃烧温度、增加推重比和提升涡轮发动机部件在包括腐蚀和氧化等严酷服役环境下的热效率[1]。随着发动机燃烧室温度、推重比和热效率的提高，相应地对发动机热端部件的工作条件，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高[4]。当前，先进燃气涡轮机的燃气进口温度已经超过1600℃，而目前用作叶片材料的Ni-基高温合金的最高工作温度为1100℃，逐渐接近其初始软化温度（1316℃），而Ni3Al单晶合金的耐温极限也不超过1

3、200℃[5]-[7]。燃气轮机叶片的试样材料逐步接近金属使用温度的极限。在这种情况下，为了满足燃气涡轮发动机对材料更苛刻的性能要求，另一种降低叶片工作温度的可行技术——热障涂层技术得到了广大研究人员的重视。热障涂层（TBCs）是基体合金（Substrate）、金属粘结层（Bondcoat）和陶瓷表面涂层（Ceramiccoat）组成的涂层系统[8]。它是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热等性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高金属热端部件的工作温度，增强热端部件的抗高温氧化和耐热冲击能力，延长热端部件的使用

4、寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术，被认为是未来涡轮机热端部件高温防护涂层技术的发展方向[9],[10]。热障涂层系统中，金属粘结层是最关键的组员之一，它可以缓解由于陶瓷涂层和基体的热膨胀系数不匹配产生的应力和提高基体合金的抗氧化能力，并作为陶瓷面层的基底，改善陶瓷涂层和基体合金的物理相容性[11],[12]。金属粘结层的材料通常为MCrAlY涂层（M是过渡族金属Fe、Ni、Co、或Ni+Co），由于NiCoCrAlY粘结层的抗氧化和抗热腐蚀的综合性能优异，目前航空发动机涡轮叶片所用的粘结层材料大多采用这种合金[13]

5、。然而，当热障涂层长期在超高温环境中服役时，由于基体与粘结层成分及各元素浓度的不同，将使该基体/粘结层界面出现严重的互扩散行为[14],[15]。在此过程中，Al元素将由粘结层向基体内扩散，而Ni、Cr、W、Ta、Hf等元素将从基体向粘结层进行外扩散。互扩散行为的影响主要有：（1）扩散对TGO的影响粘结层在热障涂层体系中不仅起到使陶瓷层与基体热匹配的作用，同时在整个体系中，粘结层也将起到抗氧化腐蚀的作用[16]-[18]。为了减缓陶瓷顶层/粘结层(TC/BC)之间的应力，用电子束物理气相沉积(EB-PVD)或大气等离子喷涂

6、(APS)制备陶瓷层时，有意加入微裂纹和孔隙，使TC/BC有更高的兼容性和耐应力变形性，同时微孔的存在还能降低了陶瓷涂层的热导率[19]。但是这却会导致服役环境中的氧及腐蚀介质快速通过陶瓷面层到达MCrAlY粘结层界面，与粘结层中外扩散的铝元素反应形成主要成分为α-Al2O3的热生长氧化物层(TGO)[20]，其中α-Al2O3的含量决定了涂层体系的抗氧化腐蚀性能。然而，由于高温环境中基体/粘结层之间元素互扩散行为的发生，导致粘结层中的铝元素不断地向基体内扩散，消耗了外扩散的Al含量，对TGO层持续生成连续致密的α-Al2

7、O3造成不利影响，贫铝状况的出现导致富Ni、富Cr等有害相生成[21],[22]，从而使TGO层中出现裂纹并扩展，最终导致陶瓷面层剥落，热障涂层失效。（2）扩散对基体及粘结层的影响随着基体中Ni，W、Ta等元素的外扩散与粘结层Al内扩散，将使基体与粘结层受到不同程度的影响，如图1所示[21]。对粘结层而言，高温及扩散行为使粘结层中的β-NiAl相部分退化为γ`-Ni3Al相，同时出现柯肯达尔空洞，影响了NiCrAlY粘结层的高温抗氧化及抗腐蚀等性能[23][24]。对于基体而言，在高温扩散行为影响下，γ相将转化为γ`相，同

8、时基体中的固溶强化元素会析出，形成二次反应区，主要成分为针尖状的、富Re、W、Cr等元素的拓扑密堆积相(TopologyAccumulationPhase,TCP)[11],[22],[25]。随着涂层服役期热暴露时间增加，TCP的产生及基体相结构的变化将降低基体的抗蠕变断裂性能[26]-[29]。图1