涂覆Ni-Cr-Al-Y涂层的镍基高温合金热机械疲劳
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Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６
ＺＨＵ Ｓｈｉｊｉｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｋｕｏｋａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｋｕｏｋａ，Ｊａｐａｎ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：毗４ⅣＧ Ｚｈｏｎｇｇｕａｎｇ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，弛ｆ？（０２ｊ）８３９７ｓｓｗ，Ｅ－ｍａｉｈ ｚｈｇｗａｎｇ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｃｎ ＳｕｐｐｏＳｅｄ ｂｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ ＭａｔｅｒｉａｌｓＩ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ．
第４５卷
第７期
２００９年７月第８２０—－８２５页
金属学故
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｂｌ．４５ ＮＯ．７ Ｊｕｌ．２００９ ＰＰ．８２０－８２５
涂覆Ｎｉ—ｃｒ－Ａｌ—Ｙ涂层的镍基高温合金热机械疲劳行为
陈竹兵 黄志伟 王中光
（中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳１１００１６）
＋沈阳界面材料研究中心海外学者计划项目资助ＣＩＭ０９ＳＪＺＨＵ
收到初稿日期：２００叫１３—１１，收到修改稿日期：２００９—０４—１０
作者简介：陈竹兵，男，１９８３年生，博士生
万方数据
第７期
陈竹兵等：涂覆Ｎｉ—Ｃ卜Ａｌ－Ｙ涂层的镍基高温合金热机械疲劳行为８２１
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ（ＴＭＦ）ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ａ Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ Ｍ９６３ ｃｏａｔｅｄ ｗｉｔｈ
朱世杰
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｋｕｏｋａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｋｕｏｋａ，Ｊａｐａｎ）
摘要 分别采取大气等离子（ＡＰＳ）和高速火焰（ＨＶＯＦ）工艺制备Ｎｉ－－Ｃｒ—Ａｌ—＿Ｙ涂层．对涂覆Ｎｉ—Ｃ卜Ａｌ—Ｙ涂层的高温 合金试样的热机械疲劳（ＴＭＦ）行为进行了研究．结果表明：在相同应变幅下，２种涂层试样都是反相位热机械疲劳（ＯＰ ＴＭＦ） 寿命比同相位热机械疲劳（ＩＰ ＴＭＦ）寿命短；在不同应变幅下，试样的热机械疲劳寿命与涂层的喷涂工艺相关．通过断口和纵向剖
面图的观察分析表明，裂纹的萌生对试样的寿命有很大的影响．
关键词 镍基高温合金，Ｎｉ－－Ｃｒ—Ａ卜Ｙ涂层，热机械疲劳，裂纹萌生与扩展 中图法分类号ＴＧｌ４６．１５，Ｖ２３１．９５ 文献标识码Ａ 文章编号０４１２－１９６１（２００９）０７—０８２０—０６
ＴＨＥＲＭＯ—ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＦＡＬＴＩＧＵＥ ＢＥＨＡＶＩｏＲ ｏＦ Ｎｉ—
１实ห้องสมุดไป่ตู้方法
Ｍ９６３合金的化学成分（质量分数，％）为：Ｃ ０．１５， Ｃｒ ８．８９，Ａｌ ６．００，Ｔｉ ２．５５，Ｍｏ １．６４，Ｗ １０．１，Ｃｏ １０．０， Ｎｂ １．１０，Ｚｒ ０．０３，Ｂ ０．０３，Ｃｅ ０．０２，Ｙ ０．０１，Ｎｉ余量．实 验母合金采用真空感应炉重熔并浇铸成棒状试样，随后对 其进行１２１０＂Ｃ／４ ｈ＋ＡＣ（空冷）的固溶处理．处理后的棒 材加工成标距直径为６ ｍｍ，标距长度为２５ ｎｌｎｌ的试样， 并对试样进行机械抛光以消除机加工带来的表面缺陷．喷 涂前，对试样进行喷砂处理．在试样的平行标距处以及过 渡圆弧区域分别采用ＡＰＳ和ＨＶＯＦ工艺获得厚度约为 １３０ ｐｍ的Ｎｉ．２５Ｃ卜５Ａｌ－＿０．５Ｙ涂层．喷涂设备和工艺参
ＭＣｒＡｌＹ涂层的高温氧化以及热腐蚀性能已经得到 了广泛的研究［５－７Ｊ．而在实际服役状态中，发动机的涡轮 叶片不仅受到变温下氧化和腐蚀作用，而且还受到交变的 机械载荷即热机械疲劳损伤，使得部件局部萌生裂纹，在 高温氧化条件下，加速了裂纹的扩展，严重降低了使用寿 命．因此，研究ＭＣｒＡｌＹ涂层试样的热机械疲劳行为有 很重要的意义．
Ｎｉ—Ｃｒ—Ａｌ—＿Ｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｔ ４５ｍ一９００℃ｉｎ ａｉｒ ｕｎｄｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ａ ｓｔｒａｉｎ
ｒａｔｉｏ ｏｆ一１ ａｎｄ ａ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ２００ Ｓ．Ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｅｉｔｈｅｒ ｂｙ ａｉｒ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ（ＡＰＳ） ｏｒ ｂｙ ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｆｕｅｌ ｒｕｅｌ（ＨＶＯＦ）．Ｉｔ Ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ，ｔｈｅ ｏｕｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ（ＯＰ）ＴＭＦ １ｉｆｅ ｉｓ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｉｎ ｐｈａｓｅ（ＩＰ）ＴＭＦ ｏｎｅ ｉｎ ｂｏｔｈ ＡＰＳ ａｎｄ ＨＶＯＦ ｃｏａｔｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅ ＴＭＦ ｌｉｆｅ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ＴＭＦ ｌｉｆｅ．
本文选用的基材为镍基高温合金Ｍ９６３，含有较高的 Ｗ，Ｍｏ和Ｎｂ等难熔的合金元素，具有良好的高温强 度和蠕变抗力．采用大气等离子（ａｉｒ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ， 简称ＡＰＳ）和高速火焰（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｆｕｅｌ ｆｕｅｌ，简 称ＨＶＯＦ）２种工艺在加工好的基材试样表面喷涂Ｎｉ一 ２５Ｃｒ－５Ａｌ＿０．５Ｙ涂层，研究２种不同工艺制备的涂层 试样的热机械疲劳行为，比较两者之间疲劳寿命以及断 口形貌和裂纹扩展行为的差别，并对裂纹密度进行了统计 分析．
ＩＭＲ，ＣＡＳ（Ｎｏ．ＣＩＭ０９ＳＪＺＨＵ） Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２００９－０３—１１．ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２００争批－１０
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｇｆｉｔｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｍａｒｉｎｅ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ．Ｉｔｓ ｅｍｃｉｅｎｃｙ ｃａｌｌ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｎｌｅｔ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｉｓ ｇｏａｌ ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ．Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｖａｎｅ ａｎｄ ｂｌａｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｎ ｌａｓｔ ５０ ｙｅａｌ＇ｓ．Ｂｕｔ ｉｔ ｉＳ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｍｕｃｈ ｈｉｇｈｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｏｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｍｐａｉｒ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．ＭＣｒＡｌＹ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ－ａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｈｉｔｈｅｒｔｏ，ｉｔ ｉｓ ｃｌｅａｒｌｙ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔ．ｉｏｎ— ａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｈｏｔ ｐａｒｔｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｖ ＭＣｒＡｌＹ ｃｏａｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｄｉ仃ｂｒｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ』ｌ彳ＣｒＡｌＹ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｍａｙ ｃａ鹏ｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｕｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｉｉｆｅ ｏｆ ＭＣｒＡｌＹ—ｃｏａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ａ ｆｅｗ ｏｆ ｓｔｕｄｉｅｓ ｈａｖｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ＾彳ＣｒＡｌＹ—ｃｏａｔｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｉｎ ｓｅｒｖｉｃｅ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｃｌｏｓｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｔｒａｉｎ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ａｎ ｅｎｇｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｏｎｌｙ ａ ｆｅｗ ｓｔｕｄｉｅｓ ｗｅｒｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅｉｒ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ；ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｈａｒｄ ｔｏ ｐｅｒ－ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－－ｓｔｒａｉｎ ｃｙｃｌｅ ｓｈａｐｅ，ｓｔｒａｉｎ ｒａｎｇｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ，ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．
数见文献１８｜． 疲劳实验均在计算机控制的热机械疲劳试验机
ＭＴＳ８１０上进行，利用高频感应线圈进行加热，通过在 试样标距范围内点焊热电偶来实现温度控制，冷却方式为 压缩冷却空气吹向试样标距表面，并配合水冷液压夹头通 过热传导降温．采用机械应变控制的三角波加载，应变比 Ｒ＝－Ｉ．应变控制通过轴向高温陶瓷引伸计实现，两支陶 瓷杆尖端距离为１６ ｍｍ．实验采用同相位（ＩＰ，即最高 机械应变对应最高温度）和反相位（ＯＰ，最高机械应变对 应最低温度）波形．实验温度范围为４５０—９００℃，周期 为２００ Ｓ，采用的机械应变幅△￡。。ｃｈ／２＝ｏ．５％，Ｏ．３５％． 为了研究不同应变幅对涂层的损伤，对涂层中裂纹密度 （定义为断口以下１０ ｍｍ纵剖面中单位长度平均裂纹数 目）进行统计．另外进行了０Ｐ下△Ｅ。。ｈ／２＝Ｏ．１７％的 ３００ ｃｙｃ中断实验（以此代替该应变幅下裂纹密度）．
ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ，Ｎｉ—Ｃ卜．Ａｌ吖ｃｏａｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ．ｃｒａｃｋ ｉｎｉ－
ｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
目前，燃气涡轮发动机已在工业、船舶和航空航天等 领域得到广泛应用．由于提高燃气进口温度可以提高工作 效率【川，近些年来，人们通过改进高温合金制备工艺使得 其性能得到很大改善，如用于一级涡轮叶片的镍基单晶高 温合金使用温度可达１１００℃ｌ２１．在这样的高温条件下， 氧化、硫化、热腐蚀和外来颗粒的撞击都严重削弱合金的 性能．采用防护性涂层是有效的解决方法．ＭＣｒＡｌＹ涂 层因其具有抗高温氧化、抗热腐蚀、塑性以及成分可控等 优点，得到了广泛应用Ｌ３，４ｊ．
ＢＡＳＥＤ ＳＵＰＥＲＡＬＬｏＹ ＣｏＡＴＥＤ ＷＩＴＨ Ｎｉ—Ｃｒ—Ａｌ－．Ｙ
ｃＨＥＮ Ｚｈｕｂｉｎｇ．ＨＵＡＮＧ Ｚｈｉｗｅｉ。Ⅵ，ＡＮＧ Ｚｈｏｎｇｇｕａｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，
ＺＨＵ Ｓｈｉｊｉｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｋｕｏｋａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｋｕｏｋａ，Ｊａｐａｎ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：毗４ⅣＧ Ｚｈｏｎｇｇｕａｎｇ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，弛ｆ？（０２ｊ）８３９７ｓｓｗ，Ｅ－ｍａｉｈ ｚｈｇｗａｎｇ＠ｉｍｒ．ａｃ．ｃｎ ＳｕｐｐｏＳｅｄ ｂｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｒａｃｉａｌ ＭａｔｅｒｉａｌｓＩ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ．
第４５卷
第７期
２００９年７月第８２０—－８２５页
金属学故
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｂｌ．４５ ＮＯ．７ Ｊｕｌ．２００９ ＰＰ．８２０－８２５
涂覆Ｎｉ—ｃｒ－Ａｌ—Ｙ涂层的镍基高温合金热机械疲劳行为
陈竹兵 黄志伟 王中光
（中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳１１００１６）
＋沈阳界面材料研究中心海外学者计划项目资助ＣＩＭ０９ＳＪＺＨＵ
收到初稿日期：２００叫１３—１１，收到修改稿日期：２００９—０４—１０
作者简介：陈竹兵，男，１９８３年生，博士生
万方数据
第７期
陈竹兵等：涂覆Ｎｉ—Ｃ卜Ａｌ－Ｙ涂层的镍基高温合金热机械疲劳行为８２１
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ（ＴＭＦ）ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ａ Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ Ｍ９６３ ｃｏａｔｅｄ ｗｉｔｈ
朱世杰
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｋｕｏｋａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｋｕｏｋａ，Ｊａｐａｎ）
摘要 分别采取大气等离子（ＡＰＳ）和高速火焰（ＨＶＯＦ）工艺制备Ｎｉ－－Ｃｒ—Ａｌ—＿Ｙ涂层．对涂覆Ｎｉ—Ｃ卜Ａｌ—Ｙ涂层的高温 合金试样的热机械疲劳（ＴＭＦ）行为进行了研究．结果表明：在相同应变幅下，２种涂层试样都是反相位热机械疲劳（ＯＰ ＴＭＦ） 寿命比同相位热机械疲劳（ＩＰ ＴＭＦ）寿命短；在不同应变幅下，试样的热机械疲劳寿命与涂层的喷涂工艺相关．通过断口和纵向剖
面图的观察分析表明，裂纹的萌生对试样的寿命有很大的影响．
关键词 镍基高温合金，Ｎｉ－－Ｃｒ—Ａ卜Ｙ涂层，热机械疲劳，裂纹萌生与扩展 中图法分类号ＴＧｌ４６．１５，Ｖ２３１．９５ 文献标识码Ａ 文章编号０４１２－１９６１（２００９）０７—０８２０—０６
ＴＨＥＲＭＯ—ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＦＡＬＴＩＧＵＥ ＢＥＨＡＶＩｏＲ ｏＦ Ｎｉ—
１实ห้องสมุดไป่ตู้方法
Ｍ９６３合金的化学成分（质量分数，％）为：Ｃ ０．１５， Ｃｒ ８．８９，Ａｌ ６．００，Ｔｉ ２．５５，Ｍｏ １．６４，Ｗ １０．１，Ｃｏ １０．０， Ｎｂ １．１０，Ｚｒ ０．０３，Ｂ ０．０３，Ｃｅ ０．０２，Ｙ ０．０１，Ｎｉ余量．实 验母合金采用真空感应炉重熔并浇铸成棒状试样，随后对 其进行１２１０＂Ｃ／４ ｈ＋ＡＣ（空冷）的固溶处理．处理后的棒 材加工成标距直径为６ ｍｍ，标距长度为２５ ｎｌｎｌ的试样， 并对试样进行机械抛光以消除机加工带来的表面缺陷．喷 涂前，对试样进行喷砂处理．在试样的平行标距处以及过 渡圆弧区域分别采用ＡＰＳ和ＨＶＯＦ工艺获得厚度约为 １３０ ｐｍ的Ｎｉ．２５Ｃ卜５Ａｌ－＿０．５Ｙ涂层．喷涂设备和工艺参
ＭＣｒＡｌＹ涂层的高温氧化以及热腐蚀性能已经得到 了广泛的研究［５－７Ｊ．而在实际服役状态中，发动机的涡轮 叶片不仅受到变温下氧化和腐蚀作用，而且还受到交变的 机械载荷即热机械疲劳损伤，使得部件局部萌生裂纹，在 高温氧化条件下，加速了裂纹的扩展，严重降低了使用寿 命．因此，研究ＭＣｒＡｌＹ涂层试样的热机械疲劳行为有 很重要的意义．
Ｎｉ—Ｃｒ—Ａｌ—＿Ｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｔ ４５ｍ一９００℃ｉｎ ａｉｒ ｕｎｄｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ａ ｓｔｒａｉｎ
ｒａｔｉｏ ｏｆ一１ ａｎｄ ａ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ２００ Ｓ．Ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｅｉｔｈｅｒ ｂｙ ａｉｒ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ（ＡＰＳ） ｏｒ ｂｙ ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｆｕｅｌ ｒｕｅｌ（ＨＶＯＦ）．Ｉｔ Ｗａｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ，ｔｈｅ ｏｕｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ（ＯＰ）ＴＭＦ １ｉｆｅ ｉｓ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｉｎ ｐｈａｓｅ（ＩＰ）ＴＭＦ ｏｎｅ ｉｎ ｂｏｔｈ ＡＰＳ ａｎｄ ＨＶＯＦ ｃｏａｔｅｄ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅ ＴＭＦ ｌｉｆｅ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｃｒａｃｋ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ＴＭＦ ｌｉｆｅ．
本文选用的基材为镍基高温合金Ｍ９６３，含有较高的 Ｗ，Ｍｏ和Ｎｂ等难熔的合金元素，具有良好的高温强 度和蠕变抗力．采用大气等离子（ａｉｒ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ， 简称ＡＰＳ）和高速火焰（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｆｕｅｌ ｆｕｅｌ，简 称ＨＶＯＦ）２种工艺在加工好的基材试样表面喷涂Ｎｉ一 ２５Ｃｒ－５Ａｌ＿０．５Ｙ涂层，研究２种不同工艺制备的涂层 试样的热机械疲劳行为，比较两者之间疲劳寿命以及断 口形貌和裂纹扩展行为的差别，并对裂纹密度进行了统计 分析．
ＩＭＲ，ＣＡＳ（Ｎｏ．ＣＩＭ０９ＳＪＺＨＵ） Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２００９－０３—１１．ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２００争批－１０
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｇｆｉｔｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｍａｒｉｎｅ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ．Ｉｔｓ ｅｍｃｉｅｎｃｙ ｃａｌｌ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｎｌｅｔ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｉｓ ｇｏａｌ ｉｔ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｒ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ．Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｖａｎｅ ａｎｄ ｂｌａｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｉｎ ｌａｓｔ ５０ ｙｅａｌ＇ｓ．Ｂｕｔ ｉｔ ｉＳ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｍｕｃｈ ｈｉｇｈｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｏｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｉｍｐａｉｒ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．ＭＣｒＡｌＹ ｃｏａｔｉｎｇ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ａｓ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ－ａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｈｉｔｈｅｒｔｏ，ｉｔ ｉｓ ｃｌｅａｒｌｙ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔ．ｉｏｎ— ａｎｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ—ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｈｏｔ ｐａｒｔｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｎ ｂｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｖ ＭＣｒＡｌＹ ｃｏａｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｄｉ仃ｂｒｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ』ｌ彳ＣｒＡｌＹ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ ｍａｙ ｃａ鹏ｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｕｓ ｗｈｉｃｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｉｉｆｅ ｏｆ ＭＣｒＡｌＹ—ｃｏａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ａ ｆｅｗ ｏｆ ｓｔｕｄｉｅｓ ｈａｖｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ＾彳ＣｒＡｌＹ—ｃｏａｔｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ．Ｉｎ ｓｅｒｖｉｃｅ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｃｌｏｓｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｔｒａｉｎ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ａｎ ｅｎｇｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｏｎｌｙ ａ ｆｅｗ ｓｔｕｄｉｅｓ ｗｅｒｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅｉｒ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ；ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｈａｒｄ ｔｏ ｐｅｒ－ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｍａｎｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－－ｓｔｒａｉｎ ｃｙｃｌｅ ｓｈａｐｅ，ｓｔｒａｉｎ ｒａｎｇｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ，ｔｈｅ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｎｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．
数见文献１８｜． 疲劳实验均在计算机控制的热机械疲劳试验机
ＭＴＳ８１０上进行，利用高频感应线圈进行加热，通过在 试样标距范围内点焊热电偶来实现温度控制，冷却方式为 压缩冷却空气吹向试样标距表面，并配合水冷液压夹头通 过热传导降温．采用机械应变控制的三角波加载，应变比 Ｒ＝－Ｉ．应变控制通过轴向高温陶瓷引伸计实现，两支陶 瓷杆尖端距离为１６ ｍｍ．实验采用同相位（ＩＰ，即最高 机械应变对应最高温度）和反相位（ＯＰ，最高机械应变对 应最低温度）波形．实验温度范围为４５０—９００℃，周期 为２００ Ｓ，采用的机械应变幅△￡。。ｃｈ／２＝ｏ．５％，Ｏ．３５％． 为了研究不同应变幅对涂层的损伤，对涂层中裂纹密度 （定义为断口以下１０ ｍｍ纵剖面中单位长度平均裂纹数 目）进行统计．另外进行了０Ｐ下△Ｅ。。ｈ／２＝Ｏ．１７％的 ３００ ｃｙｃ中断实验（以此代替该应变幅下裂纹密度）．
ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ Ｎｉ—ｂａｓｅｄ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ，Ｎｉ—Ｃ卜．Ａｌ吖ｃｏａｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆａｔｉｇｕｅ．ｃｒａｃｋ ｉｎｉ－
ｔｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
目前，燃气涡轮发动机已在工业、船舶和航空航天等 领域得到广泛应用．由于提高燃气进口温度可以提高工作 效率【川，近些年来，人们通过改进高温合金制备工艺使得 其性能得到很大改善，如用于一级涡轮叶片的镍基单晶高 温合金使用温度可达１１００℃ｌ２１．在这样的高温条件下， 氧化、硫化、热腐蚀和外来颗粒的撞击都严重削弱合金的 性能．采用防护性涂层是有效的解决方法．ＭＣｒＡｌＹ涂 层因其具有抗高温氧化、抗热腐蚀、塑性以及成分可控等 优点，得到了广泛应用Ｌ３，４ｊ．
ＢＡＳＥＤ ＳＵＰＥＲＡＬＬｏＹ ＣｏＡＴＥＤ ＷＩＴＨ Ｎｉ—Ｃｒ—Ａｌ－．Ｙ
ｃＨＥＮ Ｚｈｕｂｉｎｇ．ＨＵＡＮＧ Ｚｈｉｗｅｉ。Ⅵ，ＡＮＧ Ｚｈｏｎｇｇｕａｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，