电弧离子镀制备Ni-Al/Ni-Al-Ce改性扩散铝化物涂层的微观结构演变与循环氧化行为研究

《Vacuum》：Preparation, microstructure, and cyclic oxidation behavior of diffusion aluminide coating modified by Ni-Al/Ni-Al-Ce layer via arc ion plating

本文系统探讨了通过电弧离子镀（AIP）技术在镍基高温合金表面预沉积Ni-Al/Ni-Al-Ce层对β-NiAl扩散涂层性能的优化作用。研究表明，该改性工艺可显著抑制互扩散区（IDZ）厚度、减少脆性拓扑密堆（TCP）相形成，并通过促进Σ3共格晶界（CSL）和大角度晶界（HAGBs）改善氧化膜粘附性。Ce掺杂更在IDZ/β-NiAl界面形成富Ce相，有效延缓元素扩散，使涂层在1100°C循环氧化实验中展现卓越抗剥落性能。

　　

亮点

本研究通过电弧离子镀（AIP）技术在镍基高温合金表面预沉积Ni-Al/Ni-Al-Ce层，显著优化了扩散铝化物涂层的微观结构与抗循环氧化性能。改性涂层不仅抑制了基体镍元素的过度消耗，还促进了β-NiAl结合层的增厚，同时通过晶界调控和稀土掺杂实现了氧化膜的高稳定性。

样品制备

选用第二代镍基单晶高温合金作为基体，其成分为：钴（Co）7.5%、铬（Cr）7.0%、铝（Al）6.2%、钽（Ta）6.5%、钨（W）5.0%、铼（Re）3.0%、钼（Mo）1.5%、铪（Hf）0.15%，以及微量碳（C）和硼（B），余量为镍（Ni）。样品加工为直径14mm的圆盘状。

铝化前样品的微观结构特征

图2展示了通过AIP沉积的Ni-Al/Ni-Al-Ce层截面扫描电镜（SEM）图像。沉积态涂层呈现致密无孔的层状结构，平均厚度约20μm，与热喷涂涂层相当。涂层与基体界面处未见明显分离，且在界面附近观察到2-3μm的扩散影响区（DAZ），证实Ce元素成功掺入。

结论

通过AIP法在铝化前引入Ni-Al层并掺杂Ce，成功开发出Ni-Al/Ce改性涂层。主要结论包括：1）改性涂层晶粒更细小、晶界数量增加，提升了结构性能；2）与简单铝化物涂层相比，Ni-Al/Ce涂层具有更厚的β-NiAl结合层和更薄的互扩散区；3）循环氧化后，改性涂层表现出更优的氧化膜粘附性和更轻微的剥落现象。