● 摘要
热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是一种用于降低航空发动机热端部件表面温度，提高热端部件的抗氧化腐蚀能力，并有效地延长热端部件使用寿命的表面热防护技术。热障涂层一般包括起隔热作用的陶瓷层以及缓解陶瓷层与基体合金热膨胀不匹配应力、提高基体抗氧化腐蚀性能的粘结层。目前，粘结层材料一般选用MCrAlY（M：Ni、Co或Ni+Co）体系和NiPtAl体系，其使用温度一般不超过1150℃。随着航空发动机向更高推重比发展，要求热障涂层粘结层材料的长期使用温度必须达到1150℃以上。由于熔点高和抗氧化性能优异，β-NiAl有望成为新型粘结层材料。但是，在循环氧化过程中，β-NiAl表面的氧化膜容易发生剥落，而活性元素掺杂后可以有效提高氧化膜-基体结合力。 采用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备出了不同掺杂量的活性元素Dy改性的β-NiAl涂层，研究Dy改性NiAl涂层在1100℃ 和1200℃高温氧化行为，分析了活性元素Dy对涂层氧化行为的作用机理。 结果表明，氧化初期，适量掺杂(0.05at%Dy)促进了α-Al2O3的生成，过量掺杂(0.5at%Dy)促进了θ-Al2O3的形成，并且活性元素Dy抑制了亚稳态立方相θ-Al2O3通过马氏体相变向稳态α-Al2O3的转变，延长了θ-Al2O3存在时间。 Dy改性NiAl涂层在1100℃ 和1200℃循环氧化结果表明，适量活性元素掺杂在提高氧化膜与基体结合力的同时，降低了氧化膜的生长速率，这是因为活性元素Dy分布在氧化膜晶界，抑制了Al元素沿氧化膜晶界的外扩散。在1100℃氧化300h，掺杂0.05at%Dy比未掺杂的氧化速率低20%，而过量掺杂导致局部氧化加剧。在1100℃和1200℃，未掺杂NiAl涂层分别在150h和20h后发生显著的氧化膜剥落，掺杂NiAl涂层循环氧化400h后都未发生明显氧化膜剥落现象。 氧化过程中，在氧浓度梯度作用下，活性元素Dy沿氧化膜晶界向氧化膜-气体界面扩散，在表面聚集长大形成块状AlDyO3化合物，同时，活性元素分布在氧化膜晶界抑制了铝元素沿氧化膜晶界向外扩散，这产生了两种效果：一方面，使氧化膜晶粒细化，另一方面，改变了氧化膜的微观结构。由于抑制了铝的外扩散，氧化膜生长以氧内扩散为主，在掺杂涂层上形成了由柱状晶和等轴晶组成的复合结构氧化膜，未掺杂涂层上氧化膜为等轴晶。 基于对氧化膜表面形貌和截面形貌的系统分析，提出了以下活性元素作用机理：(1) 活性元素抑制了氧化膜-基体界面孔洞的长大，提高了氧化膜与基体之间的结合面积，从而提高了氧化膜-基体结合力；(2) 氧化膜沿晶界伸入NiAl涂层内部，形成了中间为AlDyO3化合物，外层为α-Al2O3的“pegs”，有效提高了氧化膜-基体之间的结合力。