中国航发北京航材院：基础元素及改性元素Zr影响NiCoCrAlY黏结层合金相组成的热力学及实验分析

2025-12-30 15:34:05 作者：陈旭阳, 辛文彬, 张婧, 宋希文, 牟仁德, 常振东, 蔡来源：材料工程分享至：

标题：基础元素及改性元素Zr影响NiCoCrAlY黏结层合金相组成的热力学及实验分析

作者：陈旭阳^{1, 2}, 辛文彬^{1, 2}, 张婧^{1, 2}, 宋希文^{1, 2}, 牟仁德³, 常振东³, 蔡妍³

单位：

1. 内蒙古科技大学稀土产业学院（稀土工程技术学院），内蒙古包头 014010

2. 内蒙古科技大学轻稀土资源全周期绿色高效开发利用教育部重点实验室，内蒙古包头 014010

3. 中国航发北京航空材料研究院，北京100095

关键词：黏结层，Zr改性，热力学，相组成，凝固特性

DOI：10.11868/j.issn.1001-4381.2025.000131

摘要

热障涂层的服役性能和使用寿命与黏结层合金的相组成和结构息息相关，而黏结层合金的成分直接决定了其相组成。先利用Thermo-Calc软件分析了基础元素Co、Al和改性元素Zr含量对各平衡相析出行为的影响规律，随后采用X射线衍射仪、场发射扫描电镜等重点研究了Zr含量对NiCoCrAlY黏结层合金的相组成及富Zr相分布特征的影响。热力学计算结果表明，当Co含量为10%（质量分数，下同）时，合金开始析出σ-CoCr相，随着Co含量从10%增加到16%，σ-CoCr相的最大析出量的摩尔分数由0.055增加到0.229，且Co含量高于14%时该相能在涂层高温服役区间稳定存在。当Al含量为8%~10%时，γ-Ni相优先于β-NiAl相从合金液相中析出，而Al含量为12%~16%时，则反之；随着Al含量由8%增加到16%，凝固区间由75 ℃明显扩大到171 ℃，且β-NiAl相析出量不断增加。当改性元素Zr的含量由0.15%增加到1.0%，固相线温度的变化最为显著，由1264 ℃降低至1136 ℃，凝固区间由151 ℃增大到275 ℃。基于热力学计算设计的黏结层合金在非平衡条件下室温相组成以β-NiAl和γ'-Ni₃Al为基体，基体上分布着少量α-Cr相，同时γ'-Ni₃Al相周围分布着Ni5Y相。在含0.5%和1.0%Zr的合金中H_L21相析出位置存在差异，前者富Zr相主要在β-NiAl/γ'-Ni₃Al两相界面上析出，后者除了分布于相界面外，还在β-NiAl基体相上析出。

研究背景与意义

随着航空发动机向高流量比、高推重比、高热效率的方向演进，日益苛刻的服役环境对涡轮叶片的耐温能力提出了更高要求。热障涂层技术现已广泛应用于涡轮叶片的高温防护，其主要由陶瓷层（top coating）、金属黏结层（bond coating）和热生长氧化物（TGO）三部分组成。金属黏结层作为过渡层，能够缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀失配，提升涂层整体的抗高温氧化与抗热腐蚀性能。其中，MCrAlY金属黏结层因其优异抗高温氧化和抗热腐蚀性能加之成分易于调控、制备成本相对较低等优点备受青睐。

为进一步提升MCrAlY金属黏结层的抗高温氧化性能与热稳定性，本研究采用Thermo-Calc理论分析与实验验证相结合的方法，更具针对性地开展黏结层材料的设计工作。研究旨在通过调整Co、Al含量精准调控高抗氧性的β-NiAl相含量的同时平衡脆性相含量，同时优化改性元素Zr含量，以期为MCrAlY金属黏结层成分调控提供可行性方法与思路。

创新点

本文聚焦于调控Co、Al及采用Zr改性元素的MCrAlY黏结层合金应用于超高温情况的可行性进行解答。其创新之处在于通过Thermo-Calc+TCNI12数据库系统探究了Co、Al和Zr含量对MCrAlY黏结层平衡相组成与结构及凝固特性的影响规律。结果揭示，Co、Al含量过高会在涂层高温服役区间产生脆性的σ相，而过量Zr的加入则会显著降低固相线温度，最终确定Zr改性黏结层在超高温热障涂层黏结层中的应用受限。

主要研究成果

（1）钴含量对黏结层合金平衡相析出行为的影响

金属黏结层中添加Co元素能提高其抗热腐蚀性，改善涂层界面结合性。本热力学计算结果表明，Co元素抑制脆性γ'相的析出，在涂层高温服役时能在较大的温度区间内保持较稳定β＋γ两相组织；当Co元素含量超过14%（质量分数，下同）时，相平衡组织中会析出大量脆性σ-CoCr相，导致合金及涂层脆性增加。因此，综合考量Co含量的较佳区间为10%~14%。

图1 不同Co含量Ni-xCo-17Cr-14Al-0.5Y黏结层合金平衡热力学计算结果

（2）铝含量对黏结层合金平衡相析出行为的影响

黏结层合金或涂层中的抗氧化的β-NiAl相含量与Al元素的高低呈正相关性，但要注意β-NiAl相自身的脆性问题。热力学计算表明，Al含量低于10%时，相平衡组成以γ'相为主，但高温下β-NiAl相的含量不足；而Al含量超过14%时，相平衡组成以β-NiAl相+γ'相为主，高温下β-NiAl相的含量达0.8以上，易导致涂层脆性增加而引发涂层过早脱落的风险。因此，Al含量的最佳区间为10%~14%。

图2 不同Al含量Ni-12Co-17Cr-xAl-Y黏结层合金平衡热力学计算结果

（3）Zr含量对黏结层合金平衡相析出行为的影响

不少研究表明，添加改性元素Zr能够提高热障涂层的黏附性，提升黏结层的服役性能够。热力学计算表明，添加Zr元素含量超过0.5%后，导致黏结层合金固相线温度大幅下降，制约其服役于更高温度；另外，Zr含量增加明显扩大凝固温度区间，增加铸造缺陷。在金属黏结层中要严格控制Zr元素的含量，不宜过高，适宜的添加量为0.3%~0.5%。

图3 不同Zr含量Ni-12Co-17Cr-14Al-Y-xZr黏结层合金平衡热力学计算结果

（4）热力学相组成验证的实验观察

基于元素Co、Al和Zr对黏结层合金平衡相组成的热力学计算结果，选定Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-0/0.5/1.0Zr三种成分的黏结层合金熔炼制备。其中，Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-1.0Zr黏结层合金室温组织的微观形貌及元素分布和组成如图4所示。黏结层合金的基体由深灰色衬度的β-NiAl相和少量浅灰色衬度的γ'-Ni₃Al相组成，在γ'-Ni₃Al相基体上分布着条带状的β-NiAl相，而在β-NiAl相基体上不仅分布着条带状微米级γ'-Ni₃Al相，还分布着团簇状纳米级α-Cr析出相，在γ'-Ni₃Al相周围有少量白色衬度的Ni₅Y金属间化合物（图4（j））。富Zr相则分布于β-NiAl/γ'-Ni₃Al两相界面处及β-NiAl相基体上析出（图4（i），（j））。

图4 Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-1.0Zr黏结层合金室温组织FESEM-EDS分析

团队成员介绍

张婧：通讯作者，副教授，硕士生导师。入选英才兴蒙五层次人才、2023年内蒙古自治区“青年科技英才”。长期致力于钢铁、先进黏结层等金属材料成分设计、相组成与性能调控及材料表征等方面研究。于Materials Characterization、ISIJ International、Journal of Iron and Steel International等国内外高水平期刊上发表论文20余篇。

辛文彬：教授，博士生导师，内蒙古科技大学冶金工程专业系主任。入选2025年度包头市鹿城英才、2023年度内蒙古新时代专业技术人才选拔培养项目二层次、2020年度内蒙古“青年科技英才”，荣获第十届“全国高校冶金院长奖”等荣誉称号。长期致力于合金熔炼、靶材制备、稀土在金属材料中应用和稀土资源高效提取与利用等研究。于Metallurgical and Materials Transactions B、Journal of Iron and Steel International等国内外期刊上发表论文30余篇。

陈旭阳：团队骨干成员，硕士研究生，深入参与超高温热障涂层MCrAlY黏结层材料研究工作。在改性MCrAlY黏结层相组成与结构调控对PVD热障涂层服役性能的影响等项目中担任实验及数据检测、分析工作。

论文出处

陈旭阳, 辛文彬, 张婧, 宋希文, 牟仁德, 常振东, 蔡妍. 基础元素及改性元素Zr影响NiCoCrAlY黏结层合金相组成的热力学及实验分析[J]. 材料工程, 2025, 53(12): 275-287

CHEN Xuyang, XIN Wenbin, ZHANG Jing, SONG Xiwen, MU Rende, CHANG Zhendong, CAI Yan. Thermodynamics and experimental analysis of effect of basic element and modified element Zr on phase composition of NiCoCrAlY bond coating alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2025, 53(12): 275-287

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