几何约束下PtAl涂层与第四代镍基单晶高温合金界面组织演化及互扩散行为研究

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镍基单晶高温合金是制造航空发动机和工业燃气轮机涡轮叶片的首选材料,β-(Ni,Pt)Al涂层也因其优异的抗高温氧化和抗热腐蚀综合性能而被广泛用作涡轮叶片的高温防护涂层。但由于涂层与单晶高温合金基体存在明显的成分差异,在高温热暴露或服役条件下,涂层与基体间不可避免地发生元素的互扩散。元素互扩散使得界面组织发生退化,形成互扩散区和二次反应区,严重损害了合金的高温力学性能,降低了合金的服役寿命。一方面,高代际单晶高温合金高熔点强化元素的加入,涂层与基体互扩散会导致基体的组织退化,进而导致基体的力学性能较低代际单晶高温合金降低更为明显;另一方面,为了满足航空发动机进口温度不断提高的需求,叶片结构变得更加复杂,并且叶片壁厚越来越薄,甚至低至1 mm以下。复杂形状、薄壁是先进航空发动机用涡轮叶片的典型结构特征,涂层与复杂薄壁高代际单晶高温合金互扩散影响更为显著。但是,目前关于包括壁厚、曲率等几何约束条件下单晶高温合金与Pt Al涂层的界面组织演化鲜有研究。本文以β-(Ni,Pt)Al涂层和第四代单晶高温合金DD91为研究对象,通过线切割的方法加工了不同基体厚度(0.8 mm、1.0 mm和1.3 mm)和不同表面曲率(平面、曲率半径0.4 mm和曲率半径0.65 mm)的单晶高温合金试样,利用电镀铂和高温低活度气相渗铝的方法在基体表面制备β-(Ni,Pt)Al涂层。并且,通过改变气相渗铝时间,在基体厚度为1.0 mm的试样表面制备了不同涂层厚度的β-(Ni,Pt)Al涂层试样。结合多尺度实验表征和高通量多元合金互扩散系数计算软件Hit DIC深入研究分析1100℃热暴露过程中基体厚度、涂层厚度和基体表面曲率对β-(Ni,Pt)Al涂层/单晶高温合金界面元素互扩散及组织演化的影响。得出了以下一些结果:(1)1100℃/200 h热暴露过程中,基体厚度(0.8 mm~1.3 mm)对β-(Ni,Pt)Al涂层与DD91镍基单晶高温合金间界面元素互扩散无明显影响。利用Hit DIC软件进行扩散系数计算,结果表明:在本实验条件下β-(Ni,Pt)Al涂层/DD91镍基单晶高温合金试样中各元素的主互扩散系数主要受到Al、Co和Cr三种元素的影响。不同基体厚度的试样界面元素分布相似,并且形成的互扩散区、二次反应区的厚度相近。(2)1100℃/100 h热暴露后,不同涂层厚度的试样呈现出明显的成分和微观结构上的差异;涂层厚度对β-(Ni,Pt)Al涂层与DD91镍基单晶高温合金的界面元素互扩散具有重要影响;涂层厚度小(31μm)的试样热暴露100 h后并未形成SRZ,而涂层厚度大(40μm)的试样形成了SRZ。(3)1100℃/200 h热暴露过程中,三种不同基体表面曲率(平面、曲率半径0.4mm、曲率半径0.65 mm)试样的界面元素分布及组织演化相近,在本实验所研究的基体表面曲率范围内,表面曲率对β-(Ni,Pt)Al涂层与DD91镍基单晶高温合金间界面元素互扩散及组织演化无明显影响。
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