《Journal of Alloys and Compounds》：A Novel NiCrAlY-Cu based Bond Coat for Rocket Nozzle Applications through LP-DED process
编辑推荐：
开发铜基粘结层以优化火箭喷嘴热膨胀匹配和耐久性，通过激光粉末直接能量沉积（LP-DED）制备含不同铜含量的NiCrAlY涂层。研究发现，10%铜时热膨胀系数最佳且机械性能平衡，但超过20%铜导致晶界偏析和裂纹，降低性能。
Raja S Thanumoorthy|Abhijith Vijay|Srikanth Bontha|A.S.S. Balan
印度卡纳塔克邦国家技术学院机械工程系，曼加洛尔，575025
摘要
本研究开发了一种新型涂层，用于铜基基底，旨在减少热膨胀失配并提高火箭喷嘴的应用寿命。系统地研究了铜（Cu）添加对通过激光粉末定向能量沉积（LP-DED）制造的NiCrAlY涂层微观结构、相变和热机械性能的影响，以优化其性能。扫描电子显微镜（SEM）和元素分析显示，当Cu含量达到20 wt%时，涂层从柱状结构转变为蜂窝状结构；而更高含量的Cu会导致树枝晶生长和晶界处的Cu偏聚，从而引起局部应变和裂纹形成。X射线衍射（XRD）和密度泛函理论（DFT）分析表明，Cu由于其在β相中的溶解度有限，会抑制β-NiAl相的形成并稳定γ-Ni基体。高温XRD和能量色散光谱（EDS）分析显示，纯NiCrAlY涂层形成连续的氧化铝保护层，而富Cu涂层则形成易开裂的热生长氧化物（TGOs），从而降低抗氧化性。KAM分析表明，在10 wt% Cu含量时晶格应变减小，但在更高浓度下位错密度增加。热膨胀测量结果显示，10 wt% Cu含量时热膨胀系数（CTE）显著增加，提高了与铜基基底的兼容性。然而，进一步增加Cu含量对CTE的改善效果有限，同时机械强度会下降。由于固溶软化效应和β相的抑制，显微硬度从约406 Hv（0% Cu）降至约251 Hv（40% Cu）。通过比较关键指标的雷达图可知，10 wt% Cu是最佳成分，可为可再生冷却火箭喷嘴系统提供平衡的性能组合。
部分摘录
引言
提高火箭部件的可重复使用性和寿命是降低空间任务成本和提高效率的关键目标。在各种子系统中，火箭喷嘴是液体火箭发动机（LRE）中受热应力最大的部件之一，这严重限制了其可重复使用性。在多次发动机点火过程中，喷嘴会处于极端环境中，排气气体温度可超过3000°C [1]，导致热降解和结构损坏。
材料与方法
作为LP-DED工艺的原料，使用了气雾化的标准NiCrAlY粉末（Ni: 61.9 wt%，Cr: 24.8 wt%，Al: 10.9 wt%，Y: 1.3 wt%，O: 1.08 wt%，制造商：Oerlikon, Metco）和纯Cu（制造商：Saveer Matrix nano）。图2展示了这两种粉末的SEM显微图和粒径分布。从显微图中可以看出，两种粉末的粒径均在40-150 μm之间，其中Cu粉末的平均粒径为66.5 μm，NiCrAlY粉末的平均粒径为67.3 μm。结果与讨论
使用激光粉末定向能量沉积（LP-DED）工艺制备了不同铜（Cu）含量的NiCrAlY-Cu涂层，并对其进行了详细的微观结构和性能表征。本节系统地介绍了结果，重点关注相变、微观结构细化和机械性能。根据观察结果，确定了最佳Cu含量组合以满足
结论
基于详细的表征和测试，可以得出以下结论：
•Cu的添加使NiCrAlY的凝固形态从柱状变为蜂窝状和树枝晶状；当Cu含量超过20 wt%时，会导致严重的晶界偏聚并促进等轴树枝晶生长。
•Cu的添加会破坏β-NiAl相的稳定性，并由于其在β相中的溶解度有限而优先分配到γ相中，从而稳定γ-Ni基体。
作者贡献声明
Balan A. S.S.：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理和资金获取。Srikanth Bontha：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理和方法论、资金获取。V Abhijith Vijay：撰写、审稿与编辑、方法论和正式分析。Raja S Thanumoorthy：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、资金获取和正式分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢DST-SERB通过核心研究基金（CRG/2023/004320）提供的财政支持。同时，他们也感谢印度政府教育部和卡纳塔克邦国家技术学院的支持。此外，作者还要感谢NITK的机械工程系、冶金与材料工程系以及中央研究设施提供的各种资源。
