【摘 要】
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随着先进航空发动机向高推重比和高流量比方向的不断发展,发动机工作温度不断提高,在关键热端部件（涡轮工作叶片）上施加热障涂层已成为必然选择。现役的航空发动机涡轮转子叶片热障涂层主要采用（Ni,Pt）Al粘结层/YSZ陶瓷层体系,该涂层体系在服役过程中仍存在许多问题,如陶瓷层/金属粘结层之间形成的热生长氧化物（TGO）层褶皱严重、生长速度过快,与基体之间元素互扩散诱发基体合金力学性能下降等。为了解决上
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随着先进航空发动机向高推重比和高流量比方向的不断发展,发动机工作温度不断提高,在关键热端部件（涡轮工作叶片）上施加热障涂层已成为必然选择。现役的航空发动机涡轮转子叶片热障涂层主要采用（Ni,Pt）Al粘结层/YSZ陶瓷层体系,该涂层体系在服役过程中仍存在许多问题,如陶瓷层/金属粘结层之间形成的热生长氧化物（TGO）层褶皱严重、生长速度过快,与基体之间元素互扩散诱发基体合金力学性能下降等。为了解决上述问题,本论文以广泛使用的第二代镍基高温合金Rene N5为基体,通过活性元素改性制备了 TGO层褶皱较轻的（Ni,Pt）Al粘结层;通过低压预氧化处理避免TGO中快速生长的θ-Al2O3产生;通过降低（Ni,Pt）Al粘结层的Al含量,制备出Pt改性的γ’粘结层,阻止单晶基体内针尖状TCP相的析出;与此同时,在这几种粘结层上均采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）的方法制备了YSZ陶瓷面层,研究了这几种热障涂层体系的热循环及界面失效机理。主要研究成果如下:1、与Hf或Y单独改性相比,Hf、Y共改性可以进一步降低（Ni,Pt）Al粘结层的氧化速率,抑制粘结层β到γ’的退化型相变,减轻TGO层褶皱程度,降低TGO中残余应力,提高热障涂层的抗循环氧化性能;Hf、Y共改性的主要机理在于Hf4+和Y3+可以在氧化膜的晶界处共偏析,以离子团簇的形式相互作用,更加有效地抑制了 A13+向外迁移,呈现“协同效应”。2、在沉积YSZ陶瓷层之前对（Ni,Pt）Al粘结层进行低压预氧化处理可以完全避免热障涂层在服役过程中θ-Al2O3的生成,降低TGO层的厚度和残余应力,减轻粘结层/TGO界面的褶皱,提高热障涂层体系的抗热循环性能;此外,预氧化中较低的气氛压力可有效抑制θ-A12O3生成,加快θ-Al2O3向α-Al2O3的相转变;低压预氧化处理还改变了热障涂层的失效机制,由粘结层/TGO界面失效转变为TGO/陶瓷层界面失效。3、通过降低（Ni,Pt）Al粘结层的Al含量,制备出Pt改性γ’涂层,该涂层与基体之间互扩散程度较轻,使得涂层下方单晶内针尖状TCP相的析出得到了彻底抑制,而且抗高温氧化性能与（Ni,Pt）Al涂层相当;与（Ni,Pt）Al-YSZ热障涂层相比,Pt-γ’-YSZ热障涂层表现出更为优异的抗热循环性能,经长期循环氧化后其失效发生在TGO/陶瓷层界面附近,这主要是因为在TGO/陶瓷层界面的纯Pt颗粒易形成微裂纹削弱TGO与陶瓷层间的有效结合。
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