● 摘要
金属间化合物NiAl因能在高温下形成连续致密的保护性氧化膜，有望成为理想的金属防护涂层和热障涂层粘结层材料，然而NiAl涂层氧化膜粘附性及耐热腐蚀性能较差，在循环氧化环境中极易剥落。本课题组前期工作表明，向NiAl中掺杂活性元素可以有效提高其抗循环氧化性能，而在此基础上掺杂Cr、Si可以在显著增强耐热腐蚀性能的同时，进一步改善其高温氧化性能。本文以此为基础，对Cr、Si掺杂的β-NiAlHf涂层的制备及高温氧化行为开展了研究。本文采用电子束物理气相沉积(Electron Beam- Physical Vapor Deposition, EB-PVD)技术，在Ni基单晶高温合金N5表面制备了Cr/Si改性的β-NiAlHf涂层，研究了Cr/Si改性NiAlHf涂层在1100℃和1150℃高温氧化行为，阐明了Cr/Si掺杂对涂层高温氧化行为的作用机理。
结果表明，掺杂使涂层晶粒尺寸分布均匀，晶粒明显细化，涂层更加致密平整。Cr、Si共掺杂有效提高了氧化膜的结合力， NiAl-0.1Hf-Cr涂层1100℃氧化100小时后氧化膜有轻微剥落，相同条件下的NiAl-0.1Hf-Cr-3Si涂层上生成的氧化膜仍完整致密； 1150℃，经过100小时的循环氧化，NiAl-0.1Hf-Cr涂层上生成的氧化膜明显剥落造成涂层失效，而NiAl-0.1Hf-Cr-3Si涂层表面仍具有完整的α-Al2O3氧化膜。
Si在氧化膜形成初期对亚稳态θ-Al2O3的存在有明显的影响，Si能促进θ-Al2O3 到α-Al2O3的转变，提高涂层的抗氧化性。随着氧化时间的延长，由于Si在β-NiAl相中的固溶度远小于其在γ’-Ni3Al相中的固溶度，氧化过程中在扩散驱动力的作用下Si同时向涂层表面以及涂层-基体界面处扩散。在涂层表面Si和Cr有相互吸引作用，可以抑制α-Cr的团聚，从而抑制氧化膜孔洞的形成，改善氧化膜和涂层间的结合力，增强抗氧化性。Si扩散至涂层-基体界面处会生成Si富集层，利用Si和Cr、Mo的相互作用可以抑制其向涂层中扩散，从而抑制基体中难溶元素扩散对涂层抗氧化性产生的不利影响