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电弧离子镀MCrAlY涂层具有优异的抗高温氧化与热腐蚀性能,目前已广泛应用于航空发动机中涡轮叶片的防护。但是在较高的温度下长期使用时,镍基高温合金基体与MCrAlY涂层间会发生显著的元素互扩散,改变了界面区的结构并出现Kirkendall孔洞,加速了涂层体系的破坏。在镍基高温合金基体和MCrAlY涂层间添加扩散阻挡层,可以有效地阻挡基体与涂层间的元素互扩散。本文中采用电弧离子镀技术在DSM11基体上沉积Cr-O-N薄膜,作为DSM11基体与NiCrAlY涂层之间的扩散阻挡层。在此基础上,主要对Cr-O-N薄膜的组织结构及其作为扩散阻挡层对NiCrAlY涂层结合性能和高温循环氧化性能的影响进行了研究。
研究结果表明:沉积态的Cr-O-N薄膜为多晶薄膜,由刚玉结构的Cr2O3和岩盐结构的CrN相组成,其相对含量随着氧氮流量的变化发生改变。真空退火后,CrN转变为Cr2N相。沉积态的NiCrAlY涂层主要由γ和γ组成,涂层呈明显的层状生长。真空退火后,涂层致密性和均匀性显著改善,晶粒明显长大。
NiCrAlY/DSM11的结合强度是最高的。引入Cr-O-N扩散阻挡层后,NiCrAlY涂层的结合强度随着扩散阻挡层中氧含量的增加而逐渐下降。Cr-O-N阻挡层中的CrN在真空退火过程中会向Cr2N转变,可以降低涂层中应力,对提高涂层的结合强度是有利的。Cr2O3是导致涂层结合强度下降的主要原因。适当的氧流量可以使NiCrAlY/Cr-O-N/DSM11涂层体系具有相对良好的结合强度和抗元素扩散能力。NiCrAlY/Cr-O(50)-N/DSM11经1100℃恒温氧化后,由于涂层与基体之间发生了元素互扩散,涂层的结合强度(>70MPa)比热处理态的(约44MPa)有明显提高。
采用电弧离子镀技术制备的NiCrAlY、NiCrAlY/CrN和NiCrAlY/Cr-O-N在1000℃至室温循环氧化的初期阶段对基体的保护能力不同,NiCrAlY/Cr-O-N>NiCrAlY/CrN>NiCrAlY,与阻挡涂层与基体之间元素互扩散能力一致。
在长期的冷热循环条件下,NiCrAlY/DSM11、NiCrAlY/CrN/DSM11的失效主要是由于涂层表面氧化膜的开裂和剥落造成的。而NiCrAlY/Cr-O-N/DSM11则可能以从扩散阻挡层与涂层的界面处开裂的形式失效。这是由于Cr-O-N扩散阻挡层在循环氧化过程中,与涂层中扩散到界面的Al元素反应生成Al2O3层,与NiCrAlY涂层的热膨胀系数差距较大,在冷热循环条件下受到较大的热应力所致。