● 摘要
热障涂层（Thermal barrier coatings, TBCs）是应用在高性能航空发动机上的关键技术，由Y2O3部分稳定的ZrO2隔热陶瓷层和MCrAlY抗氧化粘结层组成。研究表明，MCrAlY系合金只能在低于1150 ℃的环境中使用，在更高的温度下使用将产生氧化加剧，造成热障涂层的剥落。随着涡轮进口温度的持续增加，NiAl由于熔点高、抗高温氧化性能优异，成为非常有发展潜力的可在1150℃以上温度长期稳定使用的高温防护涂层材料。但NiAl在循环氧化过程中，氧化膜非常容易剥落，如何提高NiAl的高温循环氧化性能是需要解决的关键问题，而采用活性元素改性正是提高NiAl循环氧化性能的有效途径。 本论文采用电弧熔炼方法制备了NiAl、NiAl-0.05Dy、NiAl-0.1Dy、NiAl-0.5Dy（at.%）四种成分的合金，研究了Dy对NiAl合金的微观组织结构、机械性能及抗高温氧化性能的影响。研究结果表明Dy主要沿NiAl合金晶界以富Dy化合物DyNi2Al3形式析出，在晶内也有含Dy化合物颗粒，其成分主要为DyNi2Al3和DyNiAl。Dy的添加细化了NiAl晶粒，但对硬度、热膨胀系数等影响不大。 研究了Dy改性的NiAl合金在1150℃和1200℃的循环氧化行为。结果表明，与未掺杂的NiAl合金相比，Dy改性NiAl合金的氧化速率增大，且Dy含量越多，氧化速率越快。未改性的NiAl在循环氧化过程中，氧化膜产生皱曲，氧化膜/基体间产生很多孔洞，导致氧化膜容易剥落。而微量Dy（0.05at.%~0.1at.%）改性的NiAl合金氧化速率增加不多，氧化膜/基体界面结合紧密，孔洞减少，极大提高了氧化膜的粘附性。NiAl-0.5Dy合金由于沿晶界处氧化严重，氧化速率加快，晶界处氧化膜容易开裂剥落，对NiAl的循环氧化性能不利。 研究了Dy改性对NiAl合金抗高温氧化行为的作用机理：Dy添加抑制了氧化膜/基体界面孔洞的长大，减少了界面孔洞数量，抑制了氧化膜的皱曲；改变了氧化膜的晶粒结构，未改性的NiAl合金氧化膜晶粒为等轴晶，Dy改性后氧化膜晶粒为柱状晶；沿晶界的氧化物深入基体合金中，增大氧化膜和基体的接触面积，起到“钉扎”作用，提高了氧化膜和基体的结合力。