Pt-Al涂层对单晶高温合金在不同温度下疲劳行为的调控机制研究

为解决航空发动机涡轮叶片用镍基单晶高温合金(SX)在高温氧化环境下的疲劳性能优化问题，中国科学院金属研究所团队通过沉积Pt-Al粘结层，系统研究了700℃和900℃下涂层的疲劳行为调控机制。研究发现该涂层在700℃低应力幅下提升疲劳强度，但高应力幅时产生负面影响；900℃下则不影响疲劳寿命。研究为高温涂层设计提供了重要理论依据，成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

　　

航空发动机涡轮叶片长期面临严苛挑战：燃烧室高温燃气导致氧化腐蚀，交变载荷引发早期疲劳失效。镍基单晶高温合金(SX)虽具有优异高温性能，但表面防护涂层与基体的协同机制尚不明确，特别是Pt-Al粘结层在不同温度下对疲劳行为的影响存在争议。这直接关系到航空发动机的服役安全与寿命预测，成为亟待解决的关键科学问题。

中国科学院金属研究所Xiaolu Pang团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，选用第二代单晶高温合金DD5（成分：Cr7.0, Co7.5, Al6.2等）为基体，通过气相渗铝法制备含5-15 at.% Pt的β-NiAl相涂层。采用旋转弯曲疲劳试验（700℃/900℃）结合断口形貌分析，首次揭示温度依赖的涂层调控机制。

关键技术方法

1. 气相渗铝法制备Pt-Al涂层，通过XRD确认β-NiAl晶体结构
2. 沿[001]晶向加工疲劳试样，保持单晶取向一致性
3. 700℃与900℃对比性旋转弯曲疲劳测试
4. SEM/EBSD联用分析裂纹萌生与扩展路径

研究结果
Materials
DD5合金含68.6% γ'强化相，涂层呈现典型晶界脊状形貌。XRD显示β-NiAl相衍射峰左移，表明Pt固溶引起晶格畸变。

Characteristics of the coating
700℃时涂层呈脆性断裂特征，900℃转变为韧性断裂。氧化实验证实α-Al₂
O₃
保护膜的形成效率与温度正相关。

Discussion
未涂层试样裂纹源于内部铸造孔洞，而涂层试样裂纹与涂层缺陷相关。定量分析显示：700℃低应力幅下，涂层通过抑制表面氧化使疲劳强度提升17%；但高应力幅时涂层裂纹成为优先萌生位点，导致寿命降低。900℃下涂层/基体协同变形，疲劳性能与未涂层试样相当。

Conclusions
研究阐明Pt-Al涂层通过三重机制影响疲劳行为：温度低于DBTT（650℃）时，涂层裂纹主导失效过程；中温区（700℃）呈现应力幅依赖性调控；高温区（900℃）氧化保护效应与韧性提升达成平衡。该发现为航空发动机涂层的温度适配性设计提供了理论标杆。

重要意义
突破传统涂层研究仅关注抗氧化性能的局限，首次建立温度-应力幅-疲劳寿命的定量关系模型。研究结果可直接指导新一代涡轮叶片涂层的成分梯度设计和工艺优化，对实现航空装备延寿具有重要工程价值。