導向單晶超級合金激光熔覆NiCrAlY涂層結構研究RuiVilar,EdsonCostaSantos關鍵詞：單晶渦輪機葉片激光沉積鎳合金涂料凝固微觀結構摘要：在現在工作中，單一和多層NiCrAlY涂料都是在SRR99鎳基合金單晶基底上激光熔覆產生的。通過光學顯微鏡掃描電鏡，X射線衍射和盧瑟福背向散射對其詳細結構和紋理進行分析發現，NiCrAlY涂料由盼段基本上氧化釔（Y203）和沉淀在樹枝晶區域的一小部分含釔鋁的石榴石（A15Y3O12）組成。這些涂層表明一個圓柱型的樹枝狀結構在基底上通過連生結晶方式生長而且保持了基底的單晶性質和晶向。其同樣也表明，涂層的mosaicity參數和缺陷密度都和基底相同。可以預計，這些涂層的抗氧化保護效果相比于多晶涂層要好因為其有像晶粒邊界的高擴散率路徑，一次可以減少通過涂層的物質轉移。正文:單晶鎳基高溫合金的使用代表了在耐高溫機械性能和增加燃氣渦輪發動機的葉片及其他部件在高溫環境下的使用壽命方面取得了很大的進步。這個進步的主要原因是消除了晶界而且對準了渦輪葉片軸最小的楊氏模量方向（＜001＞方向），這就導致了導致更高的抗蠕變性能和熱疲勞的分別。然而，盡管這些合金具有優良的高溫力學性能，但是他們的抗氧化性不足限制了他們在很多領域的應用，所以它們經常被涂上McrAlX型合金（M=Fe,Co,Ni,X=Y,Hf,Ce,Zr），提供一個黏著的具有抗裂性能的氧化鋁涂層在其表面以隔離外界物質環境。從而到達保護作用。這些涂料可以被廣泛使用，例如真空等離子噴涂，高速氧燃燒（HVOF）技術，熱噴涂和激光熔覆技術。激光熔覆涂層由于良好的從極少到富集均勻分布，所以其產生通常的孔隙和裂縫還有他們的抗氧化性能通常比采用替代方法獲得的抗氧化單一涂層要好。單晶體涂層應當進一步提高其抗氧化性能因為延晶界的高擴散系數會消失。所以最新研究制作單晶NiCrAlY涂層的方法就是利用激光熔覆技術來制造。Gaumann表明，CMSX-4竦基高溫合金通過激光熔覆在相同材料，品體取向相似的基底上會獲得晶向為（001）的單品。這是因為激光熔覆首先通過連生結品開始凝固而且凝固的結構是樹枝狀的。在立方晶體中，樹枝品為了降低表面應變能而優先沿著＜100＞方向生長。自從（100）品向基底被使用，材料的微觀結構包含基底上沿著同一結品方向生長的平行樹枝品，最終形成一個不完美的單品。根據Gaumann的研究，在熔覆材料中限制獲得單晶結構的主要原因是在凝固接近表面是發生等軸結晶獲得的柱狀晶，由于液體中的溫度梯度呈遞減趨勢，所以在液固界面前沿形成過冷偏析從而導致了等軸晶的形成。這種轉變的結果會導致在熔覆層上方形成晶向任意的等軸晶。同樣根據Gaumann和Mokadem的理論，外延生長降低沿著直接過渡區生長的傾向，在那個位置晶體會沿著＜100＞方向生長。溫度梯度和生長方向直接的角度越大，發生等軸結晶的可能性也越大。本次研究的重點主要是微觀結構和結晶結構單一而且多NiCrAlY涂層激光熔覆在單晶的渦輪葉片上。研究實驗條件生產NiCrAlY單晶涂層材料及其單晶結構。實驗程序激光熔覆在單一的透明的Ni基超耐熱不銹鋼SRR99渦輪葉片的基板上自上往下切著進行，這個渦輪葉片化學組成為Ni—4.8、Co—8.5、Cr—5.3、Al—2.65、Ta—2.05Ti-9.25W-0.5Mo（重量百分比%）。這個有軸向的近似于【001】晶面方向的葉片，被垂直的橫截至軸心，是為了獲得表面理論上平行于（001）晶面的基板。在熔覆實驗之前，基本通過微小的玻璃球噴擊來加強激光輻射的吸收。激光熔覆通過吹粉技術來進行，這個吹粉技術使用的是化學成分為Ni—24,6Cr5.72Al—0.84Y（重量百分比%）的NiAlY型合金涂料。由氬氣射流運的粉末，利用3千瓦的CO2激光通過一個直徑2毫米在水平45度角的噴嘴來送到激光熔池中。采用數控XY工作臺對樣品進行固定的激光束恒定速度移動。所用的激光加工參數為：激光功率=1.8千瓦，表面激光光斑大小為2毫米，粉的利用率=2.4x10—4公斤/s和掃描速度=0.01公尺/秒。熔覆軌道方向隨機。為了實現不同的涂層厚底和研究多層重疊枝方向，樣品1,2和6要產生沉積層。涂料的橫向和縱向截面結構特性已準備。通過光學和掃描電子顯微鏡并使用10毫克鉻酸溶液在100毫升的水和1.5V的電化學腐蝕對微觀結構進行分析研究。通過X射線衍射（XRD）對基材和涂層的晶體結構進行了研究。橫截面上的一個6層涂布，在基板上接近基材涂層界面一半的厚度的基板區域，使用X射線晶體紋理分析高精度兩軸量角器。使用X射線光斑大小在1平方毫米的樣品的表面進行了實驗?？诮嵌茸兓秶鸀?—60度上下5度，然而e角度的變化范圍為0—360度上下5度。盧瑟福的RBS和溝道效應RBS—C實驗進行了6層涂層縱截面的實驗，這個實驗使用了帶兩軸量角器和1.6Mev的He離子范德格拉夫加速器。結果和討論使用高分辨率的多軸衍射基板以及復合軌道方向和V100＞基板方向間的角度的方向的確定?；宸较蚴峭ㄟ^晶面（002）和（220）反射找到如，口角而得到的。這是通過中軸和搜集的2。布拉格位置范圍內給予的3之間得到的（3=0+?）?；撞牧系牧Ⅲw投影通過使用CaRIne3.1版本元素構造軟件而表現出來。正常的基底表面，也就是平板的縱向平面方向，與［001］方向有10.6°的夾角，同基底假定的正常方向Z//［001］相悖。將這一點考慮進去，基體的表面使用的是近乎平行于（530）的滑移面的材質?；着c第一熔覆層之間界面的微觀圖片如圖1所示。在靠近基底的地方，熔覆層表現為一個普通的區域在液固界面凝固的時候成型（區域1），緊跟著的是一個擁有細胞結構的很薄的過渡層（區域2），最后是一個占據大多數熔覆層厚度的樹枝狀區域（區域3.）。這些樹枝晶不能成為性能優良的介質或者高質量連接（細胞突起）。每段突起的樹枝晶之間的平均距離差不多為5微米。靠近基底與涂層界面的涂層中可以觀察到一些樹枝晶的方向發生輕微的變化（圖1b），但是經過一段生長距離之后，主體晶向與正常晶向成10度角的方向的樹枝晶就占到了主體地位，其顯微組織清楚地包含了大量長而平行的樹枝晶。定位發生錯位的樹枝晶族可能會從基底區域開始延不同的方向生長，由于基底的鑲嵌作用，如圖1b所示，可以在熔覆層上觀察到亞晶粒，每一個平行的柱狀晶延著略有不同的方向生長。這些有位向差異的樹枝晶的一個重要來源是存在于基底中的共晶Ni/Ni3Al中。這種共熔合金的比固溶體的熔點相比還是較低的，而且還不具有優先取向。當共晶晶胞在激光束的作用下熔化的時候，固液界面發生扭曲變形，而共共晶合金生長出來的樹枝晶會發生強烈的偏差。這種偏差與直接從基底生長出來的樹枝晶周圍附近圓柱枝晶的平均取向有關。（圖1c）。(a)圖1掃描電子顯微鏡對橫向界面處的單一涂層熔覆的顯微照片：（a）基底-涂層界面（b）因為基底缺陷而造成的輕微偏離主題晶向的樹枝晶族（c）共晶晶胞在激光束作用下導致基本樹枝晶的生長方向產生不同通過觀察反射電鏡圖像可以發現顆粒聚集在枝晶間區域，尤其在高倍顯微鏡下更加明顯。經

過X射線能量分散譜（XEDS）分析和圖譜可以得到結論：這些顆粒主要是由氧化釔組成的。一些顆粒是由兩個部分組成的，可是會是氧化釔和A15Y3O12。通過選擇具有合適沉淀參數，稀釋比例的涂層材料作為基底是可以避免的。x射線能量分散譜對基底/涂層界面的一層熔覆的濃度曲線測量表明，稀釋區域被限制在幾十微米之內。當新層材料被添加到之前已經堆焊完成的面上之后，凝固開始在單層熔覆層上外延生長（如圖2）。凝固區域的平面上，可以清楚地看到第一層熔覆層很窄或者完全沒有在上層，這是因為當新層材料堆覆在前層表面上時溫度梯度呈遞減趨勢。所有涂層的微觀結構差不多相同，而且這些樹枝晶的朝向和之前涂層的朝向基本相同?？傮w來說，枝莖沒能顯示出層與層之間的連續性，但是他們的朝向都是定位在樹突連續層，就像圖2觀察的那樣。結果發現，多層涂層的微觀結構含有平行圓柱樹枝晶的樹枝方向垂直于已經生長一個圖層厚度的基底材料表面，但是保證他們的朝向指向所有圖層。結果與X射線測量結果相符，表明［001］的平均方向與正?；妆砻嬗写蠹s10.6。的夾角，可在圖2中發現樹枝晶不垂直于基底與圖層之間的的平面，但是與它之間有大約10°的夾角。在圖層和基底上出現［100］方向的纖維物質是因為樹枝晶競相生長的結果。如前面所述，樹狀晶體的生長遠遠超過了前端界面穩定性的限制，而且其采用的方向會盡可能的與熱流方向保持一致，但是緊跟著立方材料中六個<100>方向中一個優先朝向。幸運的是，在柱狀約束的生長環境下，導向錯誤的樹突必須生長在凝固速度大于溫度梯度的方向上。其結果導致樹突尖端的溫度會更低，而且根據塔曼和波茲沃的標準，它們具有在與鄰近平行的且樹突尖端在較低過冷度下凝固的樹枝晶的競爭中不斷消失的趨勢。這種競爭的后果是導向錯誤的樹突繼續生長，例如從共晶晶胞延長了一定的生長時間，從而減少分散在晶體取向上的對接。圖2六層涂層結構在橫向截面的顯微結構在上層縱向界面的表層，會出現方向隨機的等軸樹突。一個對這個區域的微觀結構相近測試表明，它們集中在表面雜質上，如浮動氧化