Y?O?-NiCoCrAlTaY作为热障涂层系统中粘结层的性能得到了提升

《Surface and Coatings Technology》：Enhanced performance of Y?O?-NiCoCrAlTaY as bond coat in thermal barrier coating system

　　

刘志康|顾德宇|丁辉|卢涛|戴婷

中国东南大学材料科学与工程学院，先进金属材料江苏省重点实验室

摘要

为了提高传统NiCoCrAlTaY涂层的高温抗氧化性能，通过定向能量沉积-激光粉末（DED-LP）工艺制备了一种添加了1 wt%纳米Y?O?颗粒的改性涂层。与未经改性的涂层相比，该改性涂层在高温抗氧化性能上有了显著提升。通过DED-LP工艺成功制备了密度超过99.3%的改性及未改性NiCoCrAlTaY涂层，并对其高温氧化行为及增强机制进行了系统研究。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析表明，纳米Y?O?颗粒优先沉积在γ/γ’–β-NiAl相界处，使得β-NiAl相的晶粒得到显著细化与均匀化。在1100°C下进行200小时等温氧化后，两种涂层的氧化动力学均呈抛物线型；其中Y?O?改性的涂层抛物线型氧化速率常数（k_p = 0.00251 vs 0.00488 mg2·cm??·h?1）降低了48.6%，热生长氧化层（TGO）厚度也减少了23.3%（3.38 μm vs 4.40 μm）。这种抗氧化性能的提升归因于纳米Y?O?的多阶段调控作用：在初期加速了α-Al?O?的成核并促进了连续保护性TGO的形成；在长期氧化过程中优化了Al的扩散路径，抑制了Al贫化区的形成和TGO的过度生长。本研究证明了DED-LP技术能够实现纳米氧化物在涂层中的均匀分散，为高性能热障涂层的制备提供了新的技术途径。

引言

热障涂层（TBCs）是飞机发动机和燃气轮机等热端部件的关键防护系统，能有效降低基材表面温度并抑制高温氧化[1][2]。涂层位于陶瓷顶层与基材之间，通过形成致密的热生长氧化层（TGO）来缓解热失配应力[3][5]。当涡轮入口温度超过1600°C时，传统TBC的使用寿命显著缩短，涂层的高温抗氧化性能成为限制其可靠性的关键因素[6][7]。例如，在传统的MCrAlY涂层中，当温度超过1100°C时，TGO层会迅速增厚并容易脱落，导致涂层早期失效[8][9][10][11]。

向MCrAlY涂层中添加纳米氧化物颗粒已成为提高其高温抗氧化性能的有效策略[12][13][14][15]。与其他氧化物相比，Y?O?具有更高的熔点和优异的热稳定性，在1100°C以上不易分解或发生价态变化[14]。现有研究主要采用机械混合[16]或悬浮法[17]制备含有纳米氧化物的混合粉末，然后通过高速氧燃料喷涂（HVOF）[12][13]和低压等离子喷涂（LPPS）[15]等常规热喷涂工艺进行成型。这些方法虽然取得了良好的强化效果，但也存在涂层孔隙率高和结合强度不足等局限性。

近年来，定向能量沉积-激光粉末（DED-LP）增材制造技术凭借“快速熔化和固化、高效成型”的优势，在涂层制备领域展现出巨大潜力[18][19][20][21]。该工艺利用高能激光束在原位熔化合金粉末，实现涂层的冶金结合，显著提升结合强度并形成致密均匀的微观结构[22][23]。此外，DED-LP工艺具有高度灵活性，可精确沉积在复杂形状的部件上。

由于“原位熔化-快速固化”的冶金特性，DED-LP在制备含有纳米氧化物的合金方面具有独特优势，能有效避免硬颗粒对结构致密性的负面影响[24]。然而，该工艺也存在挑战，如高能激光输入可能导致氧化物颗粒分解或粗化，且适用于含纳米氧化物系统的工艺参数仍有待探索[25][26]。目前关于使用DED-LP制备含纳米Y?O?的NiCoCrAlTaY涂层的报道较少，尤其是缺乏对其在快速固化条件下分散行为及其对TGO生长动力学影响的深入研究。

本研究采用优化的DED-LP工艺制备了含有1 wt%纳米Y?O?颗粒的高密度NiCoCrAlTaY（改性MCrAlY体系）涂层，并与不含Y?O?的NiCoCrAlTaY涂层进行了系统对比，重点研究了涂层的微观结构演变、力学性能和高温氧化行为。揭示了纳米Y?O?颗粒在快速固化条件下的分散规律，并阐明了其提高高温抗氧化性能的机制。本研究旨在为高性能涂层的制备提供新的技术方法，推动先进TBC系统的进一步发展。

章节摘录

粉末材料

本研究中使用的NiCoCrAlTaY粉末采用雾化法制备，粒径范围为53至105 μm。其化学成分见表1，形态如图1（a）所示。该合金粉末球形度较高，体积密度为4.56 g/cm3，霍尔流量为14.07 s/50 g，满足DED-LP工艺的流动性要求。Y?O?粉末的粒径范围为20–100 nm，如图1（b）所示。

沉积态

图3展示了两种合金沉积后的背散射电子（BSE）图像。样品均表现出DED-LP增材制造的典型树枝晶特征。在DED-LP过程中，移动的激光熔池内部存在与热流方向相反的超高温度梯度及极快的冷却速率，这些条件促进了沿热量散发相反方向的优先外延生长。

结论

本研究系统比较了DED-LP制备的NiCoCrAlTaY涂层和Y?O?-NiCoCrAlTaY涂层的微观结构和性能，主要结论如下：

• 1.
  通过DED-LP工艺制备出了高密度的NiCoCrAlTaY涂层和添加了1 wt% Y?O?的NiCoCrAlTaY涂层（密度>99.3%，缺陷率<1%）。Y?O?颗粒有效富集在γ/γ’基体相与β-NiAl相的相界处，显著细化了β-NiAl相的晶粒尺寸。

CRediT作者贡献声明

刘志康：撰写——初稿、方法论、数据分析。顾德宇：撰写——审稿与编辑、数据分析。丁辉：指导、项目管理、方法论、概念构思。卢涛：方法论、概念构思。戴婷：项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB460100）和中国联合燃气轮机技术有限公司（项目编号：H060）的支持。