鎳基合金SRZ及TCP相析出的研究進展

時龍 王琳 齊美娜 姜紫薇

摘? ?要：鎳基單晶合金在高溫條件下具備極佳的機械性能，被用作航天用燃氣輪機和航空發(fā)動機葉片材料。傳統(tǒng)的防護涂層可以使鎳基合金基體免受高溫氧化與熱腐蝕帶來的不利影響。但當這些典型的涂層用作鎳基合金的高溫腐蝕與防護時，導(dǎo)致了二次反應(yīng)區(qū)以及在基體中出現(xiàn)了有害的脆性TCP相。SRZ和TCP相的出現(xiàn)極大地削弱了合金的高溫機械性能。文章簡單綜述了SRZ形成與TCP相析出的一些進展。

關(guān)鍵詞：鎳基合金;互擴散;二次反應(yīng)區(qū);TCP相

隨著航空發(fā)動機的使用效率越來越高，對葉片材料的使用溫度要求逐漸提高，這也意味著葉片材料的服役環(huán)境越來越苛刻，通過對材料本身使用溫度的改進和提高越來越有限。隨著高溫防護涂層的誕生，此問題被成功解決。高溫防護涂層一般只有幾十微米厚，其本身對基體力學(xué)性能的影響較小，但是卻大幅度提高了合金材料的抗高溫氧化和熱腐蝕性能。到目前為止，出現(xiàn)了很多優(yōu)良的高溫防護涂層，使航空發(fā)動機的效率獲得了極大的提高。但是問題也隨著而來，在長期服役過程中，在合金與這些涂層界面處發(fā)現(xiàn)了二次反應(yīng)區(qū)和拓撲密堆相[1]。

1? ? 涂層與基體中出現(xiàn)的SRZ與TCP相

關(guān)于SRZ與TCP相的形成原因，有很多學(xué)者進行了研究。傳統(tǒng)的高溫防護涂層，比如滲鋁涂層、MCrAlY涂層以及TBC涂層等施加于葉片材料表面，以保護它們在使用過程中免受高溫氧化與熱腐蝕的危害。SRZ一般在涂層與合金基體的表層形成，而TCP相會在該區(qū)域內(nèi)析出。

一般認為，在高溫合金中如果添加過多的強化元素，那么其中強化相的質(zhì)量分數(shù)就越高，其強化的相對效果也就更好一些，但如果合金中的強化元素相對質(zhì)量分數(shù)過高的話，就會導(dǎo)致TCP相在局部析出。

目前人們認為TCP相有4種晶體結(jié)構(gòu)[2]：P，R，μ和σ，它們的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，一般由配位原子高達16的類-六方晶格結(jié)構(gòu)堆疊而成。TCP相富含Ni，Co，Cr，W，Mo和Re等元素，通常呈長針狀、層片狀或顆粒狀。在新一代的單晶合金中，Re，W和Mo等元素被添加到合金中，旨在增強合金在高溫下的抗蠕變斷裂性能。由于TCP相中富含這些元素，使得合金表層的難熔元素的含量急劇降低，嚴重削弱了這些元素在母相中的固溶強化效果。

TCP相以下列方式影響基體的機械性能：一是形貌狀態(tài)，具有細長針狀或者片狀的TCP相，很有可能成為裂紋萌生的起點及裂紋發(fā)展演變的通道。二是分布的范圍，TCP相出現(xiàn)在局部晶界處，可以形成一層薄薄的脆性膜，這層膜會逐漸將晶粒包裹起來，此時裂紋會順著晶界附近的萌發(fā)點不斷進行擴展，最終使合金基體發(fā)生脆性斷裂。三是它的數(shù)量，當TCP相的質(zhì)量分數(shù)大于某一臨界值時，就會削減很多合金強化元素，從而逐漸降低合金的高溫強度。

當單晶高溫合金表面的鋁化物涂層暴露在高溫下時，鋁擴散到基體中，形成富鋁金屬間化合物，如β-NiAl與γ-Ni3Al。元素W，Re，Mo和Cr在這兩個相中的溶解度要比在γ相中低很多，因此，這些難熔元素在TCP相中的稀釋是不可避免的。那些長針狀的TCP相能夠侵入到基體中相當長的距離，破壞了基體的微觀結(jié)構(gòu)。

TCP相析出與Mo，Cr和W等TCP相的合成元素的局部過飽和之間有一定的聯(lián)系。而且，在MCrAlY涂層中的Al不斷向基體中轉(zhuǎn)移，這使合金表層中的γ在γ/γ相中所占體積百分數(shù)增大，這使TCP相析出的概率增加。隨著SRZ中TCP相的不斷析出，基體中γ/γ相的原始結(jié)構(gòu)受到嚴重的破壞，導(dǎo)致合金基體中筏狀組織出現(xiàn)，γ相發(fā)生嚴重粗化。

除難熔元素（合金局部）過飽和以外，合金表層擴散速率較慢是嚴重影響TCP相析出的一個關(guān)鍵因素。在母相中，合金元素的溶解度S一般隨著溫度的下降而降低，擴散速率隨著溫度的下降而減小。溫度比較小時，局部元素成分的輕微波動就會導(dǎo)致這個區(qū)域內(nèi)基材元素的過飽和以及析出TCP相。在溫度相對較低時，長期暴露后，MCrAlY涂層與合金基體界面處形成了SRZ，這表明溫度也是影響TCP相析出的一個關(guān)鍵原因。

2? ? 結(jié)語

相關(guān)研究結(jié)果說明：合金材料在高溫服役過程中，涂層與基體之間發(fā)生了不同程度的互擴散，互擴散最終導(dǎo)致了基體表層附近形成SRZ以及TCP相。涂層中的元素種類對基體中形成SRZ與TCP相有非常重要的聯(lián)系。掌握涂層化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計將有利于抑制因防護涂層與基材之間的互擴散所出現(xiàn)的SRZ與TCP相。

[參考文獻]

[1]DAS D K，MURPHY K S，MA S，et al.Formation of secondary reaction zones in diffusion aluminide-coated ni-base single-crystal superalloys containing ruthenium[J].Metallurgical and Materials Transactions A （Physical Metallurgy and Materials Science），2008（7）：1647-1657.

[2]LIANG T，GUO H，PENG H，et al.Precipitation phases in the nickel-based superalloy DZ 125 with YSZ/CoCrAlY thermal barrier coating[J].Journal of Alloys & Compounds，2011（34）：8542-8548.