時(shí)龍 王琳 齊美娜 姜紫薇

摘? ?要：鎳基單晶合金在高溫條件下具備極佳的機(jī)械性能，被用作航天用燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動機(jī)葉片材料。傳統(tǒng)的防護(hù)涂層可以使鎳基合金基體免受高溫氧化與熱腐蝕帶來的不利影響。但當(dāng)這些典型的涂層用作鎳基合金的高溫腐蝕與防護(hù)時(shí)，導(dǎo)致了二次反應(yīng)區(qū)以及在基體中出現(xiàn)了有害的脆性TCP相。SRZ和TCP相的出現(xiàn)極大地削弱了合金的高溫機(jī)械性能。文章簡單綜述了SRZ形成與TCP相析出的一些進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：鎳基合金;互擴(kuò)散;二次反應(yīng)區(qū);TCP相

隨著航空發(fā)動機(jī)的使用效率越來越高，對葉片材料的使用溫度要求逐漸提高，這也意味著葉片材料的服役環(huán)境越來越苛刻，通過對材料本身使用溫度的改進(jìn)和提高越來越有限。隨著高溫防護(hù)涂層的誕生，此問題被成功解決。高溫防護(hù)涂層一般只有幾十微米厚，其本身對基體力學(xué)性能的影響較小，但是卻大幅度提高了合金材料的抗高溫氧化和熱腐蝕性能。到目前為止，出現(xiàn)了很多優(yōu)良的高溫防護(hù)涂層，使航空發(fā)動機(jī)的效率獲得了極大的提高。但是問題也隨著而來，在長期服役過程中，在合金與這些涂層界面處發(fā)現(xiàn)了二次反應(yīng)區(qū)和拓?fù)涿芏严郲1]。

1? ? 涂層與基體中出現(xiàn)的SRZ與TCP相

關(guān)于SRZ與TCP相的形成原因，有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的高溫防護(hù)涂層，比如滲鋁涂層、MCrAlY涂層以及TBC涂層等施加于葉片材料表面，以保護(hù)它們在使用過程中免受高溫氧化與熱腐蝕的危害。SRZ一般在涂層與合金基體的表層形成，而TCP相會在該區(qū)域內(nèi)析出。

一般認(rèn)為，在高溫合金中如果添加過多的強(qiáng)化元素，那么其中強(qiáng)化相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就越高，其強(qiáng)化的相對效果也就更好一些，但如果合金中的強(qiáng)化元素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高的話，就會導(dǎo)致TCP相在局部析出。

目前人們認(rèn)為TCP相有4種晶體結(jié)構(gòu)[2]：P，R，μ和σ，它們的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一般由配位原子高達(dá)16的類-六方晶格結(jié)構(gòu)堆疊而成。TCP相富含Ni，Co，Cr，W，Mo和Re等元素，通常呈長針狀、層片狀或顆粒狀。在新一代的單晶合金中，Re，W和Mo等元素被添加到合金中，旨在增強(qiáng)合金在高溫下的抗蠕變斷裂性能。由于TCP相中富含這些元素，使得合金表層的難熔元素的含量急劇降低，嚴(yán)重削弱了這些元素在母相中的固溶強(qiáng)化效果。

TCP相以下列方式影響基體的機(jī)械性能：一是形貌狀態(tài)，具有細(xì)長針狀或者片狀的TCP相，很有可能成為裂紋萌生的起點(diǎn)及裂紋發(fā)展演變的通道。二是分布的范圍，TCP相出現(xiàn)在局部晶界處，可以形成一層薄薄的脆性膜，這層膜會逐漸將晶粒包裹起來，此時(shí)裂紋會順著晶界附近的萌發(fā)點(diǎn)不斷進(jìn)行擴(kuò)展，最終使合金基體發(fā)生脆性斷裂。三是它的數(shù)量，當(dāng)TCP相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于某一臨界值時(shí)，就會削減很多合金強(qiáng)化元素，從而逐漸降低合金的高溫強(qiáng)度。

當(dāng)單晶高溫合金表面的鋁化物涂層暴露在高溫下時(shí)，鋁擴(kuò)散到基體中，形成富鋁金屬間化合物，如β-NiAl與γ-Ni3Al。元素W，Re，Mo和Cr在這兩個(gè)相中的溶解度要比在γ相中低很多，因此，這些難熔元素在TCP相中的稀釋是不可避免的。那些長針狀的TCP相能夠侵入到基體中相當(dāng)長的距離，破壞了基體的微觀結(jié)構(gòu)。

TCP相析出與Mo，Cr和W等TCP相的合成元素的局部過飽和之間有一定的聯(lián)系。而且，在MCrAlY涂層中的Al不斷向基體中轉(zhuǎn)移，這使合金表層中的γ在γ/γ相中所占體積百分?jǐn)?shù)增大，這使TCP相析出的概率增加。隨著SRZ中TCP相的不斷析出，基體中γ/γ相的原始結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致合金基體中筏狀組織出現(xiàn)，γ相發(fā)生嚴(yán)重粗化。

除難熔元素（合金局部）過飽和以外，合金表層擴(kuò)散速率較慢是嚴(yán)重影響TCP相析出的一個(gè)關(guān)鍵因素。在母相中，合金元素的溶解度S一般隨著溫度的下降而降低，擴(kuò)散速率隨著溫度的下降而減小。溫度比較小時(shí)，局部元素成分的輕微波動就會導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域內(nèi)基材元素的過飽和以及析出TCP相。在溫度相對較低時(shí)，長期暴露后，MCrAlY涂層與合金基體界面處形成了SRZ，這表明溫度也是影響TCP相析出的一個(gè)關(guān)鍵原因。

2? ? 結(jié)語

相關(guān)研究結(jié)果說明：合金材料在高溫服役過程中，涂層與基體之間發(fā)生了不同程度的互擴(kuò)散，互擴(kuò)散最終導(dǎo)致了基體表層附近形成SRZ以及TCP相。涂層中的元素種類對基體中形成SRZ與TCP相有非常重要的聯(lián)系。掌握涂層化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)將有利于抑制因防護(hù)涂層與基材之間的互擴(kuò)散所出現(xiàn)的SRZ與TCP相。

[參考文獻(xiàn)]

[1]DAS D K，MURPHY K S，MA S，et al.Formation of secondary reaction zones in diffusion aluminide-coated ni-base single-crystal superalloys containing ruthenium[J].Metallurgical and Materials Transactions A （Physical Metallurgy and Materials Science），2008（7）：1647-1657.

[2]LIANG T，GUO H，PENG H，et al.Precipitation phases in the nickel-based superalloy DZ 125 with YSZ/CoCrAlY thermal barrier coating[J].Journal of Alloys & Compounds，2011（34）：8542-8548.