题目:热障涂层/高温合金界面扩散及其对合金力学性能的影响

热障涂层是先进航空发动机高温高压涡轮叶片的关键技术,主要用于降低合金表面的工作温度,提高合金的服役寿命。目前获得工业应用的热障涂层由氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷隔热层和MCrAlY(M:Ni,Co)金属粘结层组成。在服役过程中热障涂层和高温合金基体将发生界面互扩散,然而目前有关涂层和基体界面互扩散机制及其对合金力学性能的影响机理尚不清楚。本文研究了YSZ/CoCrAlY热障涂层与定向凝固镍基高温合金DZ125之间的高温互扩散行为及其对DZ125合金的室温拉伸、高温持久和旋转弯曲疲劳等力学性能的影响,揭示了界面扩散导致的合金表面化学成分、组织和界面结构的变化规律,阐明了界面扩散对合金力学性能变化的影响机理以及合金的断裂失效机制。 揭示了热障涂层与高温合金基体在1000℃和1050℃温度下的互扩散行为及其对粘结层和合金组织变化的影响机制。粘结层元素Al内扩散以及基体元素Ni外扩散是引起界面结构和涂层、基体组织变化的主要原因;建立了基体组织结构高温演变模型,合金中的互扩散区由γ/γ΄组织转变为γ+β-NiCoAl,互扩散区内β相的形成以及γ/γ΄组织的减少导致了难熔金属元素的析出和针状μ型拓扑密排相(TCP)的形成;理论计算了DZ125合金内析出TCP相的倾向性。揭示了涂覆热障涂层的DZ125合金经过高温氧化后的室温拉伸性能的变化规律,并阐明了涂层对合金断裂失效的影响机理。涂层对合金的屈服强度没有显著影响,但引起合金的断裂强度和延伸率降低。与1050℃条件下相比,1000℃高温扩散引起的合金断裂强度和延伸率的降低幅度更大。涂层/合金基体界面互扩散区的形成以及金属粘结层氧化促使了合金中裂纹的形成和扩展,降低了合金的断裂强度。揭示了涂覆热障涂层的DZ125合金在980℃、235MPa高温持久性能的变化规律,阐明了界面扩散对DZ125合金高温持久性能的影响机理。高温氧化温度越高,合金的持久寿命下降幅度越大。基体中互扩散区萌生裂纹并导致合金内氧化,使合金有效承载面积减小,降低了合金的持久寿命。研究了YSZ/CoCrAlY涂层和渗铝涂层对DZ125合金760℃、500MPa旋转弯曲疲劳性能的影响,建立了涂层合金的裂纹萌生与扩展模型。渗铝涂层合金的疲劳裂纹源于涂层表面氧化膜下的空洞处,热障涂层合金的疲劳裂纹源于CoCrAlY/DZ125合金界面内氧化处,但两种涂层均不影响DZ125合金的疲劳寿命,数量级均为105周次。

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