导向单晶超级合金激光熔覆NiCrAlY涂层结构

导向单晶超级合金激光熔覆NiCrAlY涂层结构研究RuiVilar,EdsonCostaSantos关键词：单晶涡轮机叶片激光沉积镍合金涂料凝固微观结构摘要：在现在工作中，单一和多层NiCrAlY涂料都是在SRR99镍基合金单晶基底上激光熔覆产生的。通过光学显微镜扫描电镜，X射线衍射和卢瑟福背向散射对其详细结构和纹理进行分析发现，NiCrAlY涂料由盼段基本上氧化钇（Y203）和沉淀在树枝晶区域的一小部分含钇铝的石榴石（A15Y3O12）组成。这些涂层表明一个圆柱型的树枝状结构在基底上通过连生结晶方式生长而且保持了基底的单晶性质和晶向。其同样也表明，涂层的mosaicity参数和缺陷密度都和基底相同。可以预计，这些涂层的抗氧化保护效果相比于多晶涂层要好因为其有像晶粒边界的高扩散率路径，一次可以减少通过涂层的物质转移。正文:单晶镍基高温合金的使用代表了在耐高温机械性能和增加燃气涡轮发动机的叶片及其他部件在高温环境下的使用寿命方面取得了很大的进步。这个进步的主要原因是消除了晶界而且对准了涡轮叶片轴最小的杨氏模量方向（＜001＞方向），这就导致了导致更高的抗蠕变性能和热疲劳的分别。然而，尽管这些合金具有优良的高温力学性能，但是他们的抗氧化性不足限制了他们在很多领域的应用，所以它们经常被涂上McrAlX型合金（M=Fe,Co,Ni,X=Y,Hf,Ce,Zr），提供一个黏着的具有抗裂性能的氧化铝涂层在其表面以隔离外界物质环境。从而到达保护作用。这些涂料可以被广泛使用，例如真空等离子喷涂，高速氧燃烧（HVOF）技术，热喷涂和激光熔覆技术。激光熔覆涂层由于良好的从极少到富集均匀分布，所以其产生通常的孔隙和裂缝还有他们的抗氧化性能通常比采用替代方法获得的抗氧化单一涂层要好。单晶体涂层应当进一步提高其抗氧化性能因为延晶界的高扩散系数会消失。所以最新研究制作单晶NiCrAlY涂层的方法就是利用激光熔覆技术来制造。Gaumann表明，CMSX-4竦基高温合金通过激光熔覆在相同材料，品体取向相似的基底上会获得晶向为（001）的单品。这是因为激光熔覆首先通过连生结品开始凝固而且凝固的结构是树枝状的。在立方晶体中，树枝品为了降低表面应变能而优先沿着＜100＞方向生长。自从（100）品向基底被使用，材料的微观结构包含基底上沿着同一结品方向生长的平行树枝品，最终形成一个不完美的单品。根据Gaumann的研究，在熔覆材料中限制获得单晶结构的主要原因是在凝固接近表面是发生等轴结晶获得的柱状晶，由于液体中的温度梯度呈递减趋势，所以在液固界面前沿形成过冷偏析从而导致了等轴晶的形成。这种转变的结果会导致在熔覆层上方形成晶向任意的等轴晶。同样根据Gaumann和Mokadem的理论，外延生长降低沿着直接过渡区生长的倾向，在那个位置晶体会沿着＜100＞方向生长。温度梯度和生长方向直接的角度越大，发生等轴结晶的可能性也越大。本次研究的重点主要是微观结构和结晶结构单一而且多NiCrAlY涂层激光熔覆在单晶的涡轮叶片上。研究实验条件生产NiCrAlY单晶涂层材料及其单晶结构。实验程序激光熔覆在单一的透明的Ni基超耐热不锈钢SRR99涡轮叶片的基板上自上往下切着进行，这个涡轮叶片化学组成为Ni—4.8、Co—8.5、Cr—5.3、Al—2.65、Ta—2.05Ti-9.25W-0.5Mo（重量百分比%）。这个有轴向的近似于【001】晶面方向的叶片，被垂直的横截至轴心，是为了获得表面理论上平行于（001）晶面的基板。在熔覆实验之前，基本通过微小的玻璃球喷击来加强激光辐射的吸收。激光熔覆通过吹粉技术来进行，这个吹粉技术使用的是化学成分为Ni—24,6Cr5.72Al—0.84Y（重量百分比%）的NiAlY型合金涂料。由氩气射流运的粉末，利用3千瓦的CO2激光通过一个直径2毫米在水平45度角的喷嘴来送到激光熔池中。采用数控XY工作台对样品进行固定的激光束恒定速度移动。所用的激光加工参数为：激光功率=1.8千瓦，表面激光光斑大小为2毫米，粉的利用率=2.4x10—4公斤/s和扫描速度=0.01公尺/秒。熔覆轨道方向随机。为了实现不同的涂层厚底和研究多层重叠枝方向，样品1,2和6要产生沉积层。涂料的横向和纵向截面结构特性已准备。通过光学和扫描电子显微镜并使用10毫克铬酸溶液在100毫升的水和1.5V的电化学腐蚀对微观结构进行分析研究。通过X射线衍射（XRD）对基材和涂层的晶体结构进行了研究。横截面上的一个6层涂布，在基板上接近基材涂层界面一半的厚度的基板区域，使用X射线晶体纹理分析高精度两轴量角器。使用X射线光斑大小在1平方毫米的样品的表面进行了实验。口角度变化范围为0—60度上下5度，然而e角度的变化范围为0—360度上下5度。卢瑟福的RBS和沟道效应RBS—C实验进行了6层涂层纵截面的实验，这个实验使用了带两轴量角器和1.6Mev的He离子范德格拉夫加速器。结果和讨论使用高分辨率的多轴衍射基板以及复合轨道方向和V100＞基板方向间的角度的方向的确定。基板方向是通过晶面（002）和（220）反射找到如，口角而得到的。这是通过中轴和搜集的2。布拉格位置范围内给予的3之间得到的（3=0+?）。基底材料的立体投影通过使用CaRIne3.1版本元素构造软件而表现出来。正常的基底表面，也就是平板的纵向平面方向，与［001］方向有10.6°的夹角，同基底假定的正常方向Z//［001］相悖。将这一点考虑进去，基体的表面使用的是近乎平行于（530）的滑移面的材质。基底与第一熔覆层之间界面的微观图片如图1所示。在靠近基底的地方，熔覆层表现为一个普通的区域在液固界面凝固的时候成型（区域1），紧跟着的是一个拥有细胞结构的很薄的过渡层（区域2），最后是一个占据大多数熔覆层厚度的树枝状区域（区域3.）。这些树枝晶不能成为性能优良的介质或者高质量连接（细胞突起）。每段突起的树枝晶之间的平均距离差不多为5微米。靠近基底与涂层界面的涂层中可以观察到一些树枝晶的方向发生轻微的变化（图1b），但是经过一段生长距离之后，主体晶向与正常晶向成10度角的方向的树枝晶就占到了主体地位，其显微组织清楚地包含了大量长而平行的树枝晶。定位发生错位的树枝晶族可能会从基底区域开始延不同的方向生长，由于基底的镶嵌作用，如图1b所示，可以在熔覆层上观察到亚晶粒，每一个平行的柱状晶延着略有不同的方向生长。这些有位向差异的树枝晶的一个重要来源是存在于基底中的共晶Ni/Ni3Al中。这种共熔合金的比固溶体的熔点相比还是较低的，而且还不具有优先取向。当共晶晶胞在激光束的作用下熔化的时候，固液界面发生扭曲变形，而共共晶合金生长出来的树枝晶会发生强烈的偏差。这种偏差与直接从基底生长出来的树枝晶周围附近圆柱枝晶的平均取向有关。（图1c）。(a)图1扫描电子显微镜对横向界面处的单一涂层熔覆的显微照片：（a）基底-涂层界面（b）因为基底缺陷而造成的轻微偏离主题晶向的树枝晶族（c）共晶晶胞在激光束作用下导致基本树枝晶的生长方向产生不同通过观察反射电镜图像可以发现颗粒聚集在枝晶间区域，尤其在高倍显微镜下更加明显。经

过X射线能量分散谱（XEDS）分析和图谱可以得到结论：这些颗粒主要是由氧化钇组成的。一些颗粒是由两个部分组成的，可是会是氧化钇和A15Y3O12。通过选择具有合适沉淀参数，稀释比例的涂层材料作为基底是可以避免的。x射线能量分散谱对基底/涂层界面的一层熔覆的浓度曲线测量表明，稀释区域被限制在几十微米之内。当新层材料被添加到之前已经堆焊完成的面上之后，凝固开始在单层熔覆层上外延生长（如图2）。凝固区域的平面上，可以清楚地看到第一层熔覆层很窄或者完全没有在上层，这是因为当新层材料堆覆在前层表面上时温度梯度呈递减趋势。所有涂层的微观结构差不多相同，而且这些树枝晶的朝向和之前涂层的朝向基本相同。总体来说，枝茎没能显示出层与层之间的连续性，但是他们的朝向都是定位在树突连续层，就像图2观察的那样。结果发现，多层涂层的微观结构含有平行圆柱树枝晶的树枝方向垂直于已经生长一个图层厚度的基底材料表面，但是保证他们的朝向指向所有图层。结果与X射线测量结果相符，表明［001］的平均方向与正常基底表面有大约10.6。的夹角，可在图2中发现树枝晶不垂直于基底与图层之间的的平面，但是与它之间有大约10°的夹角。在图层和基底上出现［100］方向的纤维物质是因为树枝晶竞相生长的结果。如前面所述，树状晶体的生长远远超过了前端界面稳定性的限制，而且其采用的方向会尽可能的与热流方向保持一致，但是紧跟着立方材料中六个<100>方向中一个优先朝向。幸运的是，在柱状约束的生长环境下，导向错误的树突必须生长在凝固速度大于温度梯度的方向上。其结果导致树突尖端的温度会更低，而且根据塔曼和波兹沃的标准，它们具有在与邻近平行的且树突尖端在较低过冷度下凝固的树枝晶的竞争中不断消失的趋势。这种竞争的后果是导向错误的树突继续生长，例如从共晶晶胞延长了一定的生长时间，从而减少分散在晶体取向上的对接。图2六层涂层结构在横向截面的显微结构在上层纵向界面的表层，会出现方向随机的等轴树突。一个对这个区域的微观结构相近测试表明，它们集中在表面杂质上，如浮动氧化