MCrAlY粘结层的微观组织及制备方法研究进展

来源期刊：材料导报2019年第15期

论文作者：陈守东

文章页码：2582 - 2588

关键词：MCrAlY粘结层;成分优化设计;热障涂层;等离子喷涂;电子束-物理气相沉积;

摘    要：热障涂层具有良好的隔热和抗氧化效果,是目前最为先进的高温防护涂层之一,与先进高效气膜冷却技术、高温结构材料一起并称为先进航空发动机及高压涡轮叶片的三大关键技术,被广泛应用于航空航天、汽车和大型火力发电等行业。高性能的热障涂层体系可以对基体金属进行充分的保护,延长航空发动机和燃气轮机的使用寿命。热障涂层（TBCs）由三个部分组成:粘结层（BC）、热生长氧化物层（TGO）和陶瓷顶层（TC）。MCrAlY涂层是陶瓷层和基底合金之间的粘结层,它可以提高基底高温合金的抗氧化、抗腐蚀能力以及陶瓷层的粘结强度,其热膨胀系数、屈服强度、抗蠕变强度等物理与力学性能直接决定热障涂层体系的服役性能和寿命。当TBCs在高温下服役时,TGO才会形成。而在TGO生成初期,其可在一定程度上起到抑制有害氧化物生长的作用,即可视为抗氧化涂层。但是随着TBCs在高温下服役时间的延长,基底合金与MCrAlY粘结涂层之间的元素互扩散行为加剧,TGO不断生长以及热生长氧化物发生变形产生裂纹,最终导致涂层整体发生破坏性剥落,失去保护作用,造成巨大的安全事故和经济损失。热障涂层粘结层的抗氧化性能是决定热障涂层寿命的主要因素,而粘结涂层的成分设计及制备工艺是影响粘结层高温抗氧化性能的关键因素。为提高TBCs的高温服役性能和延长其使用寿命,国内外学者在MCrAlY粘结涂层的元素成分优化设计及组织结构、抑制基底合金/粘结层元素互扩散的扩散障、建立精确预测TBCs服役性能的热力学-动力学模型以及优化粘结涂层制备工艺等方面开展了大量细致的研究工作。采用MCrAlY（M=Ni、Co或Ni+Co）粘结层的热障涂层具有良好的高温性能,可降低热端部件的温度,以延长热障涂层的使用寿命和提高其效率。寻求性能优良的粘结涂层已成为热障涂层领域的研究热点。热障涂层用粘结层的组成元素（Ni、Co、Cr、Al）、添加的微量活性元素（Y、Hf、Zr、Ta、Si或贵金属等）以及与涂层厚度、空隙、界面粗糙度和氧含量相关的制备工艺对合金涂层的性能起决定性作用。目前制备TBCs的技术主要有大气等离子喷涂（APS）技术和电子束-物理气相沉积（EB-PVD）技术。其中,APS层状结构热障涂层的沉积速率较高,隔热性能较好,但抗热震性能较差;而EB-PVD柱状结构热障涂层具备优异的抗热震性能和应变容限,但隔热性能较差、沉积速率低且制备成本高。为满足未来高推重比航空发动机叶片发展的需求,开发新型TBCs体系材料及新型TBCs制备技术是必经之路。本文综述了近年来热障涂层用MCrAlY粘结层的发展,主要介绍了MCrAlY粘结层的研究背景、应用领域及优点,讨论了粘结层成分优化设计、微观组织、性能退化以及制备方法等方面的最新研究进展。