应力与氧化作用对含有钌的镍基单晶超级合金在不同涂层下的拉伸变形和断裂行为的影响

《Surface and Coatings Technology》：Interplay of stress and oxidation on the tensile deformation and fracture behavior of Ru-contained Nickel-base single crystal superalloy with different coatings

Ni基单晶超合金的Ru添加与涂层协同作用对高温力学性能的影响研究。比较0Ru和3Ru超合金的MCrAlY和PtAl涂层在高温拉伸下的强度与塑性，发现PtAl-3Ru因β-NiAl相促进Ru扩散，有效抑制裂纹扩展，实现最佳力学性能。涂层与基体界面扩散及TCP相抑制是关键机制。

　　

Xize Jiang | Wei Song | Jingjing Liang | Deliang Zhang | Jinguo Li

东北大学材料科学与工程学院，沈阳，110819，中国

摘要

镍基单晶超合金在航空航天领域得到广泛应用。然而，它们表面容易形成混合氧化物层，并且无法在高温下保持微观结构的稳定性，这导致表面氧化和微观结构退化，从而降低超合金的机械强度。通常采用MCrAlY涂层和PtAl涂层来提高超合金的抗氧化性能。然而，这种改进是以牺牲单晶超合金的机械强度和塑性为代价的。对于第四代单晶超合金，添加了Ru元素以抑制TCP相的析出，保持微观结构的稳定性，并提高高温下的蠕变和疲劳抗力。本研究介绍了具有MCrAlY涂层和PtAl涂层的第四代（3Ru）和第三代（0Ru）镍基单晶超合金的拉伸变形和断裂行为。在高温拉伸试验中，未涂层的超合金的拉伸强度最差，而PtAl-3Ru涂层的超合金具有最佳的拉伸强度和塑性。PtAl涂层中大量的β-NiAl相促进了Ru从基体向涂层的扩散，从而提高了涂层的抗氧化性能和塑性，减少了高温拉伸试验中的表面裂纹。本研究为研究不同涂层下含Ru镍基单晶超合金的拉伸变形和断裂行为中应力与氧化之间的相互作用提供了新的视角。

引言

优异的高温抗氧化性能和微观结构稳定性对于确保结构材料在高温下的运行性能和延长使用寿命至关重要[1]、[2]、[3]。为了提高镍基单晶超合金在高温下的抗氧化性能和微观结构稳定性，向超合金中添加了钌，并在其表面制备了涂层。目前的高温涂层（如MCrAlY涂层和PtAl涂层）旨在在表面形成致密的氧化层（如Al₂O₃或Cr₂O₃），这些氧化层作为扩散屏障，防止氧气进入基体并阻止基体中元素的向外扩散[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。由于添加了难熔元素Re，会形成有害的拓扑密排（TCP）相，而添加Ru可以有效抑制这一现象，保持基体和涂层的长期相稳定性[9]、[10]、[11]。已经提出了几种通过添加Ru来提高基体和涂层稳定性的机制，例如减少超合金中γ'-Ni₃Al的体积含量[12]、[13]、重新分配γ-Ni/γ'-Ni₃Al中的其他元素[14]、[15]，以及改变TCP/基体和涂层/基体之间的界面能[16]、[17]、[18]。

尽管通过制备涂层和添加Ru显著提高了抗氧化性能和微观结构稳定性，但它们对单晶超合金在使用过程中的机械强度的影响仍存在争议。涂层内的微观结构演变和相变在决定基体在高温下的机械完整性和抗氧化性能方面起着关键作用。MCrAlY涂层和PtAl涂层的制备会降低基体材料的疲劳抗力和拉伸强度[19]、[20]，因为涂层表面会形成多种氧化物，导致与涂层内的相变和氧化相关的多条裂纹[21]、[22]、[23]、[24]。S. Poupard[25]指出，主要的不利机制包括保护层的脆化、涂层-基体界面的化学不相容性以及表面不同氧化物的热膨胀系数差异。这些因素共同促进了裂纹的起始和扩展，导致涂层剥落，进而降低抗氧化性能[26]、[27]、[28]。此外，微观结构的退化和脆性氧化物通过作为早期裂纹起始的位点，损害了超合金的机械性能[29]、[30]、[31]。同时，涂层与基体之间的互扩散行为促进了TCP相的析出，为裂纹扩展提供了更多路径[32]、[33]。添加Ru还会对单晶超合金的机械性能产生不利影响[34]。Ru含量的增加会降低超合金中其他强化元素和抗氧化元素的含量。此外，在含Ru的超合金中，γ/γ'界面附近会形成位错堆聚区[35]，对超合金的拉伸性能产生有害影响[36]、[37]、[38]。Song发现，随着Ru含量的增加，γ'-Ni₃Al相中位错的运动类型从切割型变为弓形型，也降低了机械性能[39]、[40]、[41]。

对于含有Ru的涂层单晶超合金，涂层与Ru元素之间的相互作用对其机械性能具有重要影响。Li等人[42]发现，由于涂层中存在大量β-NiAl相，Ru容易从基体扩散到PtAl涂层中。Ru的扩散有效阻碍了其他元素（特别是Al、Re和Ni）的互扩散行为[43]，从而保持了涂层的微观结构稳定性（互扩散区IDZ）和基体的稳定性，最终抑制了涂层的马氏体转变，并提高了涂层的蠕变性能和抗氧化性能[44]、[45]。

因此，涂层和Ru对镍基单晶超合金的机械性能和抗氧化行为的影响是研究的热点。本文观察了在不同温度下MCrAlY涂层和PtAl涂层的形貌变化，并揭示了Ru对涂层、互扩散区和基体微观结构及强度的影响。讨论了Ru与涂层在拉伸和氧化行为中的相互作用，以帮助理解涂层-超合金的拉伸行为。

样品制备

作为基体合金使用了表1中列出的化学成分的第三代镍基单晶超合金和第四代镍基单晶超合金。这两种超合金均沿[001]方向制备，并经过图1所示的热处理。拉伸试样的加工过程如图2所示的示意图。在沉积涂层之前，两种超合金均经过0.35 MPa的压力喷砂处理。

结果

拉伸试验前超合金和涂层的相组成如图3所示。初始相为γ-Ni/γ'-Ni₃Al相（图3a）。Al含量较低的MCrAlY涂层由γ'-Ni₃Al和β-NiAl组成（图3b），而Al含量较高的PtAl涂层中含有更多的β-NiAl相（图3c）。此外，涂层-3Ru和涂层-0Ru之间的相组成相似，说明添加Ru并未改变涂层-超合金的相组成。

涂层对单晶超合金拉伸行为的影响

对于镍基单晶超合金，涂层的添加改变了表面的抗氧化性能和微观结构稳定性，这对超合金的拉伸行为具有重要影响。在不同温度下，在表面添加涂层后，超合金的极限拉伸强度、屈服强度和断裂伸长率趋于下降。拉伸试验过程中性能下降的主要原因是涂层之间的互扩散行为。

结论

本研究探讨了具有PtAl涂层和MCrAlY涂层的镍基单晶超合金的拉伸变形和断裂行为，并表征了两种涂层和Ru在不同温度下的效果。基于详细的拉伸试验结果，主要结论如下：

• (1)
  MCrAlY-0Ru和PtAl-0Ru的拉伸强度均低于未添加Ru的裸超合金。而在超合金中添加Ru元素后，涂层-3Ru的拉伸强度有所提高

CRediT作者贡献声明

Xize Jiang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，实验研究。 Wei Song：撰写 – 审稿与编辑。 Jingjing Liang：资金获取，概念构思。 Deliang Zhang：撰写 – 审稿与编辑，指导，概念构思。 Jinguo Li：资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了燃气轮机项目科学中心（P2021-A-IV-002-002）的财务支持。