铂（Pt）对Ni-Al合金与单晶超合金界面处元素扩散行为的影响

《Surfaces and Interfaces》：The influence of Pt on the element diffusion behavior at the interface of Ni-Al alloys and a single crystal superalloy

Pt修饰的Ni-Al涂层高温抗氧化性能研究中，发现添加Pt可降低NiAl和Ni3Al相的缺陷形成能，在Ni-50Al/SCA21和Ni-40Al/SCA21扩散偶中显著提高Al元素扩散系数，但Ni-30Al涂层中Pt对Al扩散影响较小。这是因为Pt降低了Al的化学势，同时Pt修饰减少了界面析出相的能量和应变，使析出相密度增加、尺寸减小。

　　

曾家敏|刘远|侯浩章|孙泽旭|冷坤|史尧|杨玲|宋阳|李珊|曲帆|茹毅|张恒|龚胜凯

中国湖南省株洲市湖南航空航天推进研究院基础技术研究部，412000

摘要

经过铂改性的镍铝（Ni-Al）涂层表现出卓越的高温抗氧化性能。然而，涂层与合金界面处的元素互扩散会导致界面微观结构的退化。本研究探讨了铂（Pt）对镍铝涂层合金与单晶超合金界面处互扩散行为的影响。制备了单相镍铝/镍铝-铂（Ni-50Al、Ni-40Al、Ni-50Al-10Pt和Ni-40Al-10Pt）和双相镍铝/镍铝-铂（Ni-30Al和Ni-30Al-10Pt）合金，并将其与实验用的单晶超合金形成扩散对。在真空环境中进行扩散后，计算了互扩散系数。结果表明，添加铂降低了NiAl和Ni₃Al相中的缺陷形成能，从而提高了Ni-50Al/SCA21和Ni-40Al/SCA21扩散对中的互扩散系数。然而，在Ni-30Al/SCA21扩散对中，添加铂前后铝的总体互扩散系数变化不大。这可以归因于铂降低了铝在Ni-30Al-10Pt侧的化学势。此外，铂的改性还降低了与新相沉淀相关的界面能和应变能，使得界面处的沉淀物密度增加，平均尺寸减小。

引言

由于铝化物涂层具有优异的高温抗氧化和抗腐蚀性能，因此被广泛用作保护涂层[[1], [2], [3], [4], [5]]。然而，随着涡轮入口温度的进一步升高，传统的铝化物涂层难以满足单晶超合金的抗氧化要求。为了提高铝化物涂层的服役温度，许多合金元素被引入涂层中。其中，经过铂改性的铝化物涂层表现出出色的高温抗氧化[6,7]和热腐蚀性能[8]，使其成为最常用的先进粘结涂层材料之一。

铂对铝化物涂层抗氧化性能的影响可以总结如下：(i) 抑制“硫效应”可减少界面空洞的形成，增强氧化层与涂层的结合强度[9,10]；(ii) 促进铝的选择性氧化，从而降低在涂层表面形成单层Al₂O₃所需的铝含量[11]；(iii) 阻止难熔元素从基体向涂层的扩散，防止挥发性氧化物的形成[12,13]。然而，A. Paul等人的最新研究表明[14]，在β相NiAl涂层中添加铂会导致涂层/合金界面处互扩散层的厚度增加，可能会降低基体的机械性能。K. A. Marino等人证明，当β-NiAl相的Ni/Al原子比为1:1时，Ni和Al的扩散主要受“三重缺陷”机制控制[15,16]。当铂取代NiAl相中的Ni原子时，会降低“三重缺陷”机制的缺陷形成能，从而导致界面微观结构和基体机械性能的退化[17,18]。还研究了铂在不同相中的扩散行为，B2-NiAl中的活化能依赖于成分，峰值约为299 kJ/mol[19]，而γ'-Ni₃Al中的活化能为323 kJ/mol，γ-Ni中的活化能为280 kJ/mol[20]。

对于γ/γ'-NiPtAl涂层，铂替代Ni在γ和γ'相中可以降低铝的活性[[21], [22], [23]]。这种替代作用使得铝从基体向涂层的扩散变得困难，从而在长期氧化测试中保持涂层的抗氧化性能。近年来，β?+?γ'双相镍铝涂层因其在室温下的良好延展性和较低的界面元素互扩散系数而展现出应用潜力[[24], [25], [26]]。此外，随着高温氧化的进行，单相β-NiAl涂层会因氧化和界面互扩散而转变为β?+?γ'双相结构。这意味着服役过程中涂层与基体之间的互扩散不仅仅是β-NiAl与超合金之间的扩散，因为涂层在服役过程中的相变可能会改变界面扩散行为。在我们之前的研究中，发现β?+?γ'双相镍铝涂层合金与超合金基体界面处会形成连续的L1₂有序Ni₃Al相，这可以有效抑制界面元素的互扩散[26]。然而，对于常用的铂改性镍铝涂层材料，铂对β?+?γ'双相镍铝合金中扩散行为的影响尚未得到系统研究。这一空白阻碍了对高温氧化环境下铂改性镍铝涂层扩散机制的全面理解。因此，迫切需要进一步研究铂在双相镍铝合金中的扩散效应。

在本研究中，采用真空电弧熔炼方法制备了不同成分和相结构的镍铝/镍铝-铂（Ni-Al/Ni-Al-Pt）涂层合金（β相Ni-50Al、Ni-40Al/Ni-50Al-10Pt、Ni-40Al-10Pt以及β+γ'双相Ni-30Al/Ni-30Al-10Pt）。这些合金与实验用的单晶超合金形成了扩散对，并在1100 °C下进行了100小时的真空扩散处理。根据文献[27,28]的方法计算了每种元素在界面处的平均有效互扩散系数，阐明了铂对不同成分和相结构镍铝涂层中元素扩散行为的影响。

扩散对的制备

本研究使用了一种实验性的镍基单晶超合金。该单晶超合金的名义组成为Ni-(6.5-8.2)Al-(1.0-4.5)Ta-(7.0-11.0)Mo-(0.8-1.8)Re-(1.3-3.2)Cr（重量百分比）。在扩散处理之前，单晶SCA21棒材经过了多阶段固溶处理。SCA21的详细制备方法已在我们的先前研究中报道[29]。

镍铝/镍铝-铂合金的原子组成

平均有效互扩散系数的计算

根据M. A. Dayananda[27]的方法，平均有效互扩散系数用于表征多组分系统中的互扩散速率。与组分相关的平均有效互扩散系数的表达式基于扩散区域内的浓度梯度。具体来说，总有效互扩散系数