● 摘要
热障涂层在极端恶劣的环境中对涡轮叶片具有良好的防护作用，并能有效提高发动机的工作温度以及工作效率。为了提高整个热障涂层系统的抗氧化性能，将适量活性元素（例如Zr, Hf, Y, Si等）掺杂进粘结层中被广泛使用。在先进的发动机系统中，粘结层的抗氧化性能是决定热障涂层寿命的关键因素。最近，β-NiAl 被认为是一种防护高温合金表现良好的粘结层材料，因为它具有低的热导率，高熔点，良好的隔热性能和抗氧化性能等诸多优点。近来的研究表明，掺杂活性元素铪（Hf）的NiAl 合金的循环氧化性能得到提高。同时，Hf的掺杂可以有效地缓解氧化膜的皱起和剥落。
本文研究了 Hf 的掺杂对β-NiAl 基粘结层的循环氧化性能的影响。 在本文的研究中采用了不同含量 Hf 的 NiAl 合金 （Hf 的质量分数分别为 0.1wt. %, 1wt. %, 1.5 wt. %)。 Ni 与Al 的配比为1；1。合金的成分分别为49.95Ni–49.95Al–0.1Hf, 49.50Ni–49.50Al–1Hf 和49.25Ni–49.25Al–1.5Hf 。 这些合金由Ni (纯度 99.99 wt. %), Al (纯度 99.99 wt. %) 和 Hf (纯度 99.99 wt. %) 在氩气保护下通过电弧熔炼得到，并在1300 o C 的真空炉中保温24小时保证扩散均匀。
本文研究了β-NiAl-Hf 合金的微观结构和循环氧化性能以及热生长氧化物层（TGO），其中，Hf 的影响以及氧化膜的生长速率以及氧化膜在NiAl-Hf 合金表面的附着力被着重探究。本文主要着眼于热障涂层在不同的热应力作用下的力学行为来评估热障涂层的热力学稳定性。有限元数值模拟方法也应用与本文实验中以便对以β-NiAl-Hf 作为粘结层的热障涂层在不同的热循环次数后的热应力分布进行对比分析。有限元数值模拟采用的是商业软件ABAQUS。 以β-NiAl-Hf 作为粘结层的热障涂层的热力学性能通过实验进行表征。
热循环对热生长氧化物层 (TGO) 的影响在有限元模拟中体现为随着 Hf 含量的增加而增加热生长氧化物层。 轴向应力，径向应力以及剪应力在不同的热循环中被计算出来。通过计算系统的弹性应变能得到系统的应力状态分布，从而得出热障涂层的结构稳定性。实验结果表明，β-NiAl-Hf 合金随着 Hf 的偏聚改变了整个系统的应力状态分布。影响热障涂层系统曲率不稳定性中起到决定作用的压应力存在于热生长氧化物层（TGO）和氧化钇掺杂氧化锆层（YSZ）之间。带有β-NiAl-Hf 的热障涂层系统的热循环寿命大大提高，这是因为系统中存在着复杂的应力分布状态以及弹性应变能。
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