【摘 要】
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本文通过利用X-射线、扫描电镜、透射电镜和背电子散射技术等检测手段探究含Pt改性Al化物涂层（Pt-Al涂层）和不含涂层的单晶高温合金在长期时效过程中的组织稳定性以及不同热力耦合条件加载时的断裂行为和变形机制,系统地分析了 Pt-Al涂层对单晶高温合金组织和力学性能的影响规律。通过镀Pt渗Al的方式在第二代单晶高温合金表面制备厚度为60μm的Pt-Al涂层。元素互扩散行为导致涂层下方5μm-10μ
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本文通过利用X-射线、扫描电镜、透射电镜和背电子散射技术等检测手段探究含Pt改性Al化物涂层（Pt-Al涂层）和不含涂层的单晶高温合金在长期时效过程中的组织稳定性以及不同热力耦合条件加载时的断裂行为和变形机制,系统地分析了 Pt-Al涂层对单晶高温合金组织和力学性能的影响规律。通过镀Pt渗Al的方式在第二代单晶高温合金表面制备厚度为60μm的Pt-Al涂层。元素互扩散行为导致涂层下方5μm-10μm范围内的单晶基体中出现γ’筏化相和TCP相。1100℃时效100h后,涂层表面开始形成Al2O3氧化层,氧化层的厚度随时效时间延长逐渐增加并发生脱落;时效1000h后的基体组织影响区的厚度增加至200μm左右,并析出大量的TCP相,以及由γ’-Ni3Al相退化而形成的β-NiAl 相。Pt-Al涂层会降低单晶高温合金室温至1100℃范围内的抗拉强度和屈服强度以及在室温至750℃时的塑性,但提升单晶合金的高温塑性。室温至750℃时,由于脆性Pt-Al涂层的优先开裂,尖端裂纹向基体内扩展,减少合金加载时的有效承载面积,降低单晶合金基体的强度和塑性;750℃至1100℃范围内,表面裂纹被有效地抑制在涂层内,韧性的Pt-Al涂层和单晶基体协同变形能力增强,提升了单晶高温合金的韧性。在室温时,尖端裂纹深入单晶基体,提高了靠近涂层的单晶高温合金的应力,使更多的位错切入该部位的γ’相中;在中温时,靠近涂层的单晶高温合金基体层错数量较少,γ’相内形成位错环和超位错;在高温时,涂层/单晶界面处元素互扩散加剧,靠近涂层/基体界面处单晶合金的错配度变小,位错网变得疏松,降低了其抵挡位错切入γ’相的能力。Pt-Al涂层会不同程度地降低第二代单晶合金蠕变寿命,在750℃/820MPa和1100℃/112MPa时对单晶基体蠕变损伤最严重。在中温高应力时,Pt-Al涂层对单晶基体的损伤主要来自于涂层内部的裂纹优先萌生且不断向基体内部扩展,降低合金的有效承载面积,损害其蠕变性能;在高温低应力时,性能损伤主要来自于涂层/单晶界面附近的组织退化,包括涂层内部IDZ区域的厚度增加,涂层内部β-NiAl相退化和涂层下方TCP相的析出。采用TEM观察发现在中温高应力时,由于涂层尖端裂纹使得裂纹尖端附近应力场增加,和元素互扩散共同作用下,使靠近涂层的基体中层错数量降低,切入γ’相中的超位错数量增加;在高温低应力时,元素互扩散程度的加剧使得涂层与基体界面附近的单晶基体γ/γ’相错配度下降,蠕变后γ/γ’相界面位错网稀疏且不规则。通过卷积算法的模拟发现Pt-Al涂层对单晶基体的蠕变损伤主要是集中在蠕变第三阶段。另外,在第二蠕变阶段,IDZ区域内第二相的存在导致其受到的应力大于外层β区域。700℃高应力幅时,Pt-Al涂层会降低单晶合金的高周疲劳寿命,而在700℃低应力幅和800℃时,Pt-Al涂层会不同程度地提升单晶合金的高周疲劳寿命。含涂层的单晶合金疲劳源均形成于涂层表面。700℃高应力幅时,脆性涂层会优先萌生尖端裂纹,裂纹尖端向基体扩展降低其高周疲劳性能;在低应力幅时,强度较高的涂层单晶基体界面会阻碍涂层裂纹的扩展。800℃低应力幅时,涂层内部IDZ区域和涂层下方的筏化γ’相可阻碍涂层裂纹的扩展,延长单晶合金的疲劳寿命。通过EBSD分析,在疲劳加载过程中外层β相晶粒发生转动导致{123}＜111＞滑移系优先开动,涂层内IDZ区域裂纹通常为沿晶断裂。TEM观察发现,在700℃低应力幅时,涂层/单晶基体界面元素互扩散行为降低了靠近涂层的基体中γ和γ’相强度,导致基体中更多的滑移系发生开动,位错线密度增加并形成位错网;在800℃高应力时,涂层/单晶基体界面处应力的提升以及基体中Co、Cr等元素的外扩散降低了基体的层错能,导致位错切入单晶基体中的γ’相时形成的层错数量增加。并且800℃涂层对基体造成的应力集中低于700℃。
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