文章题目：Investigation on failure mechanism and interfacial diffusion behavior of Ru-doped NiAlHf coatings at 1200°C
第一作者：杨洪志
日前，中南大学邹俭鹏教授团队联合广东省科学院新材料研究所真空镀膜研究室针对NiAl基抗高温氧化防护涂层的失效机制及涂层/合金界面元素扩散行为在《Advanced Powder Materials》上发表了研究型论文。本文得到了广东省特支计划本土创新团队项目（2019BT02C629）、广东省科学院科技发展项目（2020GDASYL-20200402005）、广东省自然科学基金团队项目（2016A030312015）和湘潭大学博士科研启动项目（84KZ-KZ08072）等项目的支持。在“两机”专项的重大政策背景下，我国的航空航天事业飞速发展，航空发动机的推重比不断提升，使得涡轮进口温度不断升高。镍基高温合金在高压、高转速和高负载的苛刻服役环境下，会遇到氧化、热腐蚀甚至失效等严重问题。高温防护涂层能够减缓氧气、燃气等腐蚀性介质对合金的侵蚀，延长镍基高温合金可靠服役寿命，成为航空发动机不可或缺的重要组成部分。聚焦于航空发动机发展迫切需要的高温防护涂层核心技术，NiAl基抗高温氧化涂层是航空发动机的关键结构之一，可以为叶片材料提供抗高温氧化腐蚀防护。然而涂层的微观组织结构转变及涂层/合金界面的元素互扩散，不仅降低涂层的抗高温氧化性能，造成涂层的退化失效，而且会引起镍基高温合金基体组织结构发生转变，析出有害TCP相，成为制约合金、涂层性能发挥的关键问题。提升涂层的抗高温氧化性能，延缓涂层/合金基体界面元素的相互扩散，是NiAl基抗高温氧化涂层发展的关键。基于活性元素协同效应，采用Hf-Ru活性元素共掺杂，不仅能够改善涂层表面氧化层的粘附性，提升涂层的抗高温氧化性能，而且可以有效抑制界面元素的相互扩散，有望成为提升NiAl基涂层抗高温氧化性能和解决界面元素互扩散问题的可行性方法。开展NiAl基抗高温氧化防护涂层的失效机制及涂层/合金界面元素扩散行为研究可以为发展高性能耐热结构材料以及抗氧化防护涂层奠定理论基础，为极端服役条件下长时组织稳定的单晶镍基高温合金和涂层设计提供理论指导，对于我国开发下一代高温高效的燃气轮机、航空发动机具有重要的理论参考价值。（1）采用元素扩散理论与微观结构表征相结合的方法，揭示Hf-Ru元素共掺杂抑制界面元素扩散及涂层退化失效的机制；（2）采用动力学与热力学分析并结合TEM微观结构分析，深入揭示TCP相的析出机制，探讨活性元素的界面阻扩散机理。
（1）研究了NiAlHf/Ru涂层与氧化层界面扩散行为及退化失效机制
氧化层与涂层界面处存在的孔洞，在应力的作用下成为裂纹源，随着氧化时间的延长，孔洞、微裂纹等缺陷逐渐长大，连接在一起形成裂纹，裂纹进一步扩展且相互间汇合，贯穿于整个氧化层，导致氧化层从涂层上剥离、脱落，从而造成NiAlHf/Ru涂层的失效。
图1 NiAlHf和NiAlHfRu涂层失效机制示意图
（2）研究了NiAlHf/Ru与合金基体界面扩散行为及界面阻扩散机制
通过TEM分析，NiAlHf涂层和NiAlHfRu涂层与单晶镍基高温合金基体在1200℃热暴露后，合金基体互扩散区中的颗粒状析出相为P相，且与基体相界面之间存在台阶结构。二次反应区中的长针状析出相为σ相，σ相与基体γ/γ′相呈45°，具有明显的方向性，不同σ相之间相互垂直或平行分布。Ru元素的添加，能够有效地抑制了涂层中Al的扩散速率，减缓涂层中Al元素向合金基体中的扩散过程，使得沉积有NiAlHfRu涂层的单晶镍基高温合金基体中的P相和σ相的析出含量减少。图2 基体互扩散区中颗粒状析出相的TEM图：(a) 明场像及元素分布图; (b) 颗粒状析出相的高分辨图像(HREM); (c) 选取电子衍射图像(SAED)
图3 基体互扩散区中针状析出相的明场像(a)、选取电子衍射(SAED)图像(b)和典型元素的分布图(c)
图4 NiAlHf和NiAlHfRu涂层与基体界面结构演变示意图
（1）Ru元素的掺杂可以有效减少Al元素在NiAlHf涂层中的内扩散过程，进而可以抑制有害TCP相在合金基体中的析出。（2）氧化层与涂层界面处存在的空隙在拉应力作用下成为裂纹源，并且裂纹扩展会导致氧化层剥落，最终导致NiAlHf/Ru涂层失效。（3）经1200℃热暴露后，合金基体IDZ中的颗粒析出相为P相，且P相与基体相界面呈阶梯状结构。SRZ中长针状析出相为σ相，与基体γ/γ′相呈45°分布，σ相之间呈相互垂直或平行分布。
邹俭鹏：中南大学粉末冶金研究院业务办公室主任，教授、博士生导师。长期从事粉末冶金新材料、涂层与薄膜材料的教学与研究，取得一系列重要创新成果。作为项目负责人承担国家自然科学基金2项、中国博士后基金特别资助1项、企业横向项目6项，2007年获湖南省优秀博士论文，2008年获湖南省高校青年骨干教师称号，发表高水平学术论文80余篇，获授权发明专利7项，出版专著1部。
石倩：博士，正高级工程师，博士生导师，中国机械工程学会材料分会委员、广东省真空学会理事、广东省热处理协会理事。主要在真空镀膜领域开展薄膜的制备技术开发及应用研究工作，涉及光电功能薄膜、耐磨耐蚀涂层、抗高温氧化涂层等，开发的电弧离子镀MCrAlY涂层技术各项性能指标满足航发集团某型号发动机应用需求并实现工程化应用。在Corrosion Science、Surface & Coatings Technology、Applied Surface Science等权威期刊上发表学术论文50余篇，授权专利20余件，参与编写专著1部；获省部级一等奖1项，二等奖2项。
杨洪志：博士，硕士生导师，1991年5月生，湖南长沙人，2021年毕业于中南大学，获得博士学位，现任职于湘潭大学材料科学与工程学院。长期致力于MCrAlY、NiAlHf等高温防护涂层材料抗氧化性能与界面扩散行为研究，作为项目负责人承担湖南省青年基金项目1项、湘潭大学博士科研启动项目1项。在Corrosion Science、Surface Engineering、Surface & Coatings Technology、Transactions of Nonferrous Metals Society of China等期刊发表论文14余篇。
Hongzhi Yang, Xiaoya Li, Jianpeng Zou, Qian Shi, Mingjiang Dai, Changguang Deng, Pengbo Lyu, Investigation on failure mechanism and interfacial diffusion behavior of Ru-doped NiAlHf coatings at 1200°C, Adv. Powder Mater., https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100059.
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