《Materials Characterization》：A multiscale microstructural investigation of an additively manufactured MCrAlY coating for high-temperature applications
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采用激光定向能量沉积（DED-LB）技术在同一成形过程中共同沉积NiCrAlY涂层与CM247LC高温合金。未观察到界面开裂，表明涂层与基体具有良好的相容性。电子探针显微分析（EPMA）揭示涂层胞晶界处存在Y与Al的微观偏析。原子探针层析（APT）技术在沉积态
采用激光定向能量沉积（DED-LB）技术在同一成形过程中共同沉积NiCrAlY涂层与CM247LC高温合金。未观察到界面开裂，表明涂层与基体具有良好的相容性。电子探针显微分析（EPMA）揭示涂层胞晶界处存在Y与Al的微观偏析。原子探针层析（APT）技术在沉积态NiCrAlY涂层中识别出α-Cr、β-NiAl及Ni?Y相。
研究背景：高温合金（如镍基高温合金）在航空发动机应用中需具备优异的抗氧化与耐腐蚀性能，防护涂层是实现这一目标的关键。MCrAlY包覆涂层因在耐温极限与服役寿命方面优于扩散涂层而被广泛用作热障涂层（TBC）系统的粘结层，通常采用大气等离子喷涂（APS）、低压等离子喷涂（LPPS）或真空等离子喷涂（VPS）等热喷涂工艺制备。航空工业对在翼或近翼修复的需求日益增长，可缩短维修、修理与大修（MRO）周期并降低成本。激光定向能量沉积（DED-LB）因无需粉末床，被认为是最适合修复与改型现有零件的金属增材制造工艺。然而，金属增材制造关键部件的工艺标准化与质量保证仍处于早期阶段，且此前尚无关于在CM247LC合金上采用DED-LB或激光熔覆制备MCrAlY涂层的文献报道。基于此，研究人员开展了本项可行性研究，聚焦于DED-LB共同成形的NiCrAlY涂层及其CM247LC基体的沉积态微观结构，表征界面冶金相容性，识别修复区域需控制的微观结构特征。研究结论：涂层/基体界面未观察到水平开裂，表明在给定沉积参数下CM247LC与NiCrAlY涂层具有良好的局部相容性；SEM与EBSD揭示沿沉积方向生长的柱状晶，基体为枝晶亚结构、涂层为胞晶亚结构；EPMA显示Y与Al向胞晶界微观偏析，胞晶界与晶界处形成富Y颗粒，而Ni与Cr无明显偏析；APT在纳米尺度揭示除γ基体外还存在富Cr、富Al及含Y区域，分别归属为α-Cr、β-NiAl与Ni?Y相；Ni?Y相中Ni与Y亏缺，Al与Cr在其溶解度范围内替代，仅在第三层涂层（C3）中观察到的β-NiAl相Al含量低于平衡范围，与DED-LB快速凝固特征一致；三层涂层中γ/Ni?Y界面处均发现尺寸不一的α-Cr颗粒，C1与C2层的α-Cr颗粒中含少量C与B，而C3层中未检测到。该研究的重要意义在于首次证实了DED-LB在同一成形过程中共同沉积MCrAlY涂层与CM247LC基体的可行性，为增材制造修复涂层提供了微观结构基础数据。
关键技术方法：研究人员采用激光定向能量沉积（DED-LB）以吹粉方式在Inconel 718基板上沉积20 mm×20 mm×5 mm的CM247LC合金（10层）与Amdry963 NiCrAlY涂层（3层），粉末原料分别购自H?gan?s与Oerlikon，未进行参数优化。表征手段包括：扫描电子显微镜（SEM）背散射成像、电子背散射衍射（EBSD）、电子探针显微分析（EPMA，含波长色散谱WDS面扫）以及原子探针层析（APT，试样经FIB定点提取，在Cameca LEAP 5000XS上以激光脉冲模式分析）。
研究结果：（1）微观结构概览：通过SEM背散射成像发现C1与C2层厚约200 μm，C3层约320 μm，涂层总厚约720 μm；涂层/基体界面无水平裂纹，247LC合金其他位置存在裂纹与球形气孔；EBSD反极图（IPF）显示沿沉积方向的外延柱状晶，晶粒取向存在〈001〉方向与沉积方向约15–30°偏转的织构倾向；涂层为胞晶结构，基体为带二次臂的枝晶结构；涂层胞晶界与晶界处可见亮衬度层，基体中可见碳化物。（2）溶质微观偏析：通过EPMA面扫确认三层涂层胞晶界处Al与Y的明显偏析，Y高度偏析形成富Y颗粒，Ni与Cr无可辨识偏析；互扩散区中Cr从基体向涂层逐渐升高，Co、W、Ta降低，Hf偏析至胞晶/枝晶界，C分布证实亮衬度颗粒为碳化物，Ta在此类析出物处分配。（3）纳米尺度颗粒与化学特征：通过APT对三层涂层晶界与胞晶界试样分析，C1层重构中识别出γ相、富Y相（归为Ni?Y）及界面处富Cr纳米颗粒（α-Cr前驱体）；Ni?Y相成分偏离化学计量比，Al与Cr替代部分Ni与Y且处于其溶解度范围内；β-NiAl相Al含量低于平衡β相区最低值（1133 °C时为42 at%），反映快速凝固非平衡特征；α-Cr颗粒中心Cr含量超过85 at%，C1与C2层中检测到来自基体的C、Ti、B，C3层中未检测到；被α-Cr颗粒装饰的γ/Ni?Y界面出现Al富集，无α-Cr的界面则无此现象，C2层无α-Cr界面处还观察到轻微Al贫化与Ni富集；C3层中首次观察到β-NiAl区域，其内分布细小富Cr颗粒，Ni?Y/β界面无明显偏析，β/γ界面处γ相内Cr富集、Al贫化；对γ相进行频率分布分析与Pearson系数计算，Cr的Pearson系数从C1的0.7463降至C2的0.6444再降至C3的0.544，Al从0.4081降至0.2492与0.2614，Ni接近0，表明Cr与Al在γ基体中存在成分偏析且随距基体距离增加而减弱。
讨论部分总结：研究人员将三层涂层的APT重构结果解释为纳米尺度相组成随距基体-涂层界面距离增加而系统性演变，反映了热环境的递进变化。C1与C2层在后续层沉积时经历原位热处理，促进元素（尤其是C与B）从247LC基体向涂层扩散，这些元素出现在C1与C2层α-Cr颗粒中而C3层中缺失，与基体邻近效应一致。C3层无沉积后重新加热且距基体更远，形成定性不同的相组成：首次出现β-NiAl，α-Cr颗粒成分更纯，保留了更接近凝固态的特征。γ基体的Pearson系数分析与此一致：靠近基体的层因反复热循环促进溶质团簇，而C3层未被后续层重新加热，分布更接近随机。研究指出α-Cr颗粒在高温性能中的潜在作用及增材制造涂层的微观结构演变对高温氧化行为的影响需进一步研究，包括热处理的独立研究。研究结论部分译文：本可行性研究聚焦于在同一DED-LB工艺中沉积于镍基高温合金247LC上的NiCrAlY包覆涂层的沉积态微观结构，采用SEM、EBSD、EPMA与APT进行表征，得出以下结论：涂层/基体界面未观察到水平开裂，与合金247LC和NiCrAlY涂层在这些沉积条件下良好的局部相容性一致，而247LC（一种不可焊合金）其他位置存在裂纹与气孔；跨互扩散区Cr升高、Co、W、Ta降低，Hf偏析至胞晶与枝晶界；SEM与EBSD揭示沿沉积方向的柱状晶，基体为枝晶亚结构、涂层为胞晶亚结构，EPMA揭示Y与Al向胞晶界微观偏析、胞晶界与晶界处存在富Y颗粒，Ni与Cr无明显偏析；纳米尺度上APT揭示除γ基体外还存在富Cr、富Al与含Y区域，根据成分分别归属为α-Cr、β-NiAl与Ni?Y，Ni?Y中Ni与Y亏缺、Al与Cr在其于Ni?Y中的溶解度范围内替代，仅在C3层观察到的β-NiAl相Al含量低于平衡范围，与DED-LB快速凝固一致；三层涂层γ/Ni?Y界面处均发现尺寸不一的α-Cr颗粒，C1与C2层α-Cr颗粒中含少量C与B，而C3层中未检测到，C3层中还观察到含细小α-Cr颗粒的β-NiAl。
