● 摘要
热障涂层是一种以涂层的方式将陶瓷与合金相复合，具有隔热和抗高温氧化腐蚀能力的表面防护技术。目前，热障涂层技术已成为先进涡轮叶片技术中与高效气冷技术、高温合金材料技术并重的三大关键科学技术之一。粘结层材料一般选用MCrAlY体系合金，其使用温度一般不超过1150℃，在更高温度下使用时会生成相对较厚的氧化膜，局部剥落不断加剧。NiAl合金因能在高温下形成连续致密的保护性氧化膜，成为理想的金属防护涂层和热障涂层粘结层材料。然而研究发现，NiAl涂层无法满足新一代含Re镍基单晶高温合金的要求，这是因为涂层中的Al原子向内扩散导致基体的γ/γ’相失稳，难熔元素析出，促进了二次反应区及有害拓扑密堆相的形成，从而大大降低了高温合金基体的力学性能。此外，NiAl合金在高温循环氧化过程中，氧化膜与合金界面会形成大量孔洞，弱化界面结合，这往往是氧化膜自合金-氧化膜界面剥落的前兆。本论文针对N5单晶高温合金，采用电子束物理气相沉积的方法在合金基体上沉积Ru过渡层，再分别沉积两种不同的粘结层材料NiAlHf及NiCoCrAlY，经真空扩散热处理制备出Ru/NiAlHf及Ru/NiCoCrAlY双层涂层。研究结果表明，与单一涂层相比，含Ru涂层有效地抑制了涂层中Al元素向基体合金中扩散，同时抑制了Ni和其它基体元素向涂层扩散，从而阻止了合金基体中二次反应区的形成。同时研究了两种涂层在1100℃的抗高温氧化性能。Ru/NiAlHf及Ru/NiCoCrAlY两种涂层在1100℃的氧化均遵循抛物线规律；与单一涂层相比较，均显示出较好的抗氧化性能。探讨了含Ru涂层的阻扩散及抗氧化机理。热扩散处理初期在涂层基体界面处形成Ni（Ru）Al扩散层，降低了Al元素的内扩散速率，界面下方生成不连续的Ru2AlTa相，该相可抑制Ni及其他基体难熔元素的外扩散。经100h扩散处理后，基体中只形成少量TCP相，未形成SRZ，说明Ru层有效抑制了界面元素互扩散，有效抑制了SRZ形成。同时由于RuNiAl阻扩散涂层的引入，合金基体元素如Cr、Co等向氧化膜的外扩散受到抑制，使得生成的氧化膜为单一的α-Al2O3，更加均匀致密；同时，由于RuNiAl涂层减缓了涂层中Al元素向基体合金中扩散，阻止了涂层由γ相向γ’-Ni3Al相转变，从而显著提高了涂层抗氧化能力以及氧化膜与基体的结合力。