YSZ/Cr?AlC共改性NiCoCrAlY粘结涂层近界面富氧化铝结构的协同设计以实现热循环耐久性的提升

《Surface and Coatings Technology》：Synergistic engineering of near-interface alumina-rich structures in YSZ/Cr 2AlC co-modified NiCoCrAlY bond coats for enhanced thermal-cycling durability

　　

摘要

为阐明YSZ与Cr₂AlC协同改性如何调控NiCoCrAlY粘结涂层中近界面富氧化铝结构的形成与热循环失效行为，本研究设计了四种粘结涂层体系，即NiCoCrAlY、NiCoCrAlY + YSZ、NiCoCrAlY + Cr₂AlC和NiCoCrAlY + YSZ + Cr₂AlC，并将其与YSZ陶瓷面层复合。在1100 °C空气中热循环条件下，系统研究了相演化、热生长氧化物（TGO）生长、近界面富氧化铝结构的空间分布以及界面α-Al₂O₃的残余应力响应。YSZ/Cr₂AlC协同改性涂层展现出最高的热循环耐久性，其失效寿命由未改性涂层的17个循环提升至54个循环，超过单独采用YSZ或Cr₂AlC改性的涂层。与未改性涂层相比，协同改性涂层在10个循环后的单斜相ZrO₂（m-ZrO₂）含量更低，同时TGO厚度和失效时的循环平均TGO生长速率均降低，表明面层相稳定性提高且界面氧化劣化受到抑制。元素面分布分析进一步揭示，在协同改性体系中，YSZ相关的包封型/网状富氧化铝氧化物特征与Cr₂AlC相关的带状富氧化铝氧化物特征在空间上相互连通，并共同连接至主要的界面TGO。拉曼荧光R线分析进一步表明，在四种涂层中，S4的界面α-Al₂O₃残余应力状态最接近无应力参考状态。上述结果表明，协同改性涂层耐久性的提升源于两种不同富氧化铝氧化物形成途径的空间耦合，从而限制了局部TGO过度生长，减少了界面应力累积，并延缓了界面损伤演化与面层剥落。本工作强调了协同第二相工程作为构建近界面富氧化铝架构、提升NiCoCrAlY基热障涂层热循环耐久性的有效策略。

引言

热障涂层系统（TBCs）是先进航空发动机和工业燃气轮机中不可或缺的隔热防护技术，通过在热端高温合金部件表面构建低热导率的陶瓷隔热屏障来降低金属基体的热载荷 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在典型的由氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷面层和MCrAlY粘结涂层组成的TBC中（M通常指Ni、Co或其组合），粘结涂层主要通过高温暴露过程中Al的选择性氧化形成以α-Al₂O₃为主的热生长氧化物（TGO）来提供抗氧化保护。TGO的生长速率、成分稳定性、形貌和残余应力状态对维持界面完整性至关重要 [6]、[7]、[8]、[9]。然而，在反复加热和冷却过程中，TGO的持续增厚、界面波纹以及氧化生长应力和热失配应力的累积会促进面层/TGO/粘结涂层界面附近的裂纹萌生和扩展，最终导致陶瓷面层剥落 [10]、[11]、[12]。为提高TBC的热循环耐久性，已有研究提出了多种策略，包括粘结涂层的活性元素（RE）改性、中间层或梯度层设计、扩散势垒构建以及陶瓷面层的应变容忍结构调控。例如，Ebach-Stahl等人将Hf引入NiCoCrAlY粘结涂层，研究表明适当的Hf掺杂可提高涂层的热循环寿命 [13]。Negami等人研究了Hf和Si等活性元素对MCrAlX粘结涂层/氧化物界面稳定性的影响，并指出这些元素可通过降低粘结涂层/氧化物界面能来提高氧化层附着力 [14]。Xu等人在Ni基单晶高温合金上制备了含Re基扩散势垒的NiCrAlY涂层，以抑制涂层与基体间的元素互扩散并改善涂层的抗氧化行为 [15]。Shen等人在LaZrCeO/YSZ双陶瓷层TBC中引入梯度过渡层，研究了其对热循环寿命和失效行为的影响，为通过界面过渡结构设计提高热循环稳定性提供了依据 [16]。Mauer和Va?en综述了柱状结构TBC的制备与应用，指出柱状陶瓷面层具有较高的应变容忍能力，可改善涂层的热循环性能 [17]。这些研究表明，通过提高氧化层附着力、设计界面过渡结构以及调控陶瓷面层的结构顺应性，可提升TBC的热循环寿命。尽管上述策略在提升TBC热循环性能方面已展现出有效性，但第二相引入对调控MCrAlY粘结涂层近界面氧化行为的潜力却受到相对较少的关注。特别是，具有不同氧化响应的第二相如何主导近界面区富氧化铝结构的形成与空间演化，仍有待系统阐明。

在此背景下，将具有不同氧化响应或结构特征的第二相引入MCrAlY粘结涂层是粘结涂层改性的一种策略，因为此举可能改变近界面氧化产物的形成与空间分布，以及TGO的后续演化。Tian等人研究了预氧化处理与YSZ改性对NiCoCrAlY涂层短期高温氧化行为的协同效应，结果表明预氧化处理和YSZ引入可共同促进保护性Al₂O₃的形成并减少氧化增重 [18]。此外，Cr₂AlC作为一种典型的含Al型MAX相，可在高温氧化过程中形成以Al₂O₃为基体的保护性氧化层，已被探索作为TBC的候选粘结涂层材料 [19]。然而，现有研究主要关注YSZ改性的MCrAlY体系或Cr₂AlC MAX相候选粘结涂层，而将YSZ和Cr₂AlC联合引入NiCoCrAlY粘结涂层的效应仍缺乏充分理解。特别是不清楚YSZ和Cr₂AlC相关的氧化响应能否在近界面区诱导形成不同的富氧化铝结构，这些结构能否在协同改性粘结涂层中实现空间耦合，以及它们的演化与热循环过程中面层相变、TGO生长、α-Al₂O₃残余应力响应和涂层剥落之间的关系如何。

因此，本研究设计了四种粘结涂层体系，即NiCoCrAlY、NiCoCrAlY + YSZ、NiCoCrAlY + Cr₂AlC和NiCoCrAlY + YSZ + Cr₂AlC，并在粘结涂层表面沉积YSZ陶瓷面层。在1100 °C空气中进行热循环，系统研究相演化、界面氧化行为、TGO生长特征、近界面富氧化铝结构的空间分布以及α-Al₂O₃的残余应力响应。研究特别关注YSZ和Cr₂AlC能否诱导不同的富氧化铝结构形成途径，以及这些途径能否在协同改性粘结涂层中实现空间耦合。通过将面层相变、界面元素重新分布、TGO生长、α-Al₂O₃残余应力和涂层失效寿命相关联，本研究旨在阐明YSZ/Cr₂AlC协同改性在调控NiCoCrAlY基TBC界面氧化与失效演化中的协同作用。

部分节选

涂层制备

选用Inconel 625合金作为基体，采用线切割加工成尺寸为12 mm × 10 mm × 5 mm的块状试样。对试样棱角进行倒角处理，以减少热循环过程中锐角处应力集中对涂层剥落评估的影响。用于沉积粘结涂层的原料粉末包括商品化NiCoCrAlY合金粉末，其名义成分为31.5Ni-38Co-22Cr-8Al-0.5Y（wt%；Amdry 9954，

涂层初始相组成与微观结构

图4展示了初始状态S1–S4粘结涂层的XRD图谱。四种粘结涂层的主要衍射峰均归属于NiCoCrAlY的γ/γ'相，表明粘结涂层在初始状态下的主要相组成总体上相当。对于含有YSZ的S2和S4粘结涂层，在衍射图谱中可识别出与ZrO₂相关的特征峰。对于含有Cr₂AlC的S3和S4粘结涂层，也可观察到Cr₂AlC的特征峰

结论

本研究系统考察了单独和联合引入YSZ与Cr₂AlC对NiCoCrAlY粘结涂层在1100 °C下热循环氧化行为和失效演化的影响。主要结论如下：

• (1)
  YSZ和/或Cr₂AlC的引入提高了涂层的热循环寿命。S1、S2、S3和S4的失效寿命分别为17、38、33和54个循环。在四个体系中，S4

CRediT作者贡献声明

田佳乐：撰写 – 原稿。王承喜：撰写 – 审阅与编辑、监督、概念化。夏建强：概念化。宋鹏：资源。黄泰鸿：调查。Vincent Ji：概念化。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢云南省基础研究项目（编号：202403AK140004、KKRD202251014）的经费支持。

田佳乐|王承喜|夏建强|宋鹏|黄泰鸿|Vincent Ji

昆明理工大学 民航与航空学院，昆明，650500，中国